颜色传感器TCS230及颜色识别电路.docx
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颜色传感器TCS230及颜色识别电路
颜色传感器TCS230及颜色识别电路
摘要TCS230是美国TAOS公司生产的一种可编程彩色光到频率的传感器。
该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点；输出为数字量，可直接与微处理器连接。
文中主要介绍TCS230的原理和应用，以及色光和白平衡的知识，并用一个实例说明TCS230识别颜色的过程。
关键词TCS230颜色传感器颜色识别白平衡调整
引言
随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，生产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被相应的颜色传感器所替代。
例如：
图书馆使用颜色区分对文献进行分类，能够极大地提高排架管理和统计等工作；在包装行业，产品包装利用不同的颜色或装潢来表示其不同的性质或用途。
目前的颜色传感器通常是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、篮滤光片，然后对输出信号进行相应的处理，才能将颜色信号识别出来；有的将两者集合起来，但是输出模拟信号，需要一个A/D电路进行采样，对该信号进一步处理，才能进行识别，增加了电路的复杂性，并且存在较大的识别误差，影响了识别的效果。
TAOS（TexasAdvancedOptoelectronicSolutions）公司最新推出的颜色传感器TCS230，不仅能够实现颜色的识别与检测，与以前的颜色传感器相比，还具有许多优良的新特性。
1 TCS230芯片的结构框图与特点
TCS230是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。
它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。
TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接。
由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。
图1是TCS230的引脚和功能框图。
图1中，TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管。
这些二极管共分为四种类型。
其中16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带有蓝色滤波器；其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。
这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。
工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。
该传感器的典型输出频率范围从2Hz~500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式。
输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。
例如，当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS230的输出频率和计数器相匹配。
从图1可知：
当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是50%），不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚S0、S1，选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。
图1 TCS230的引脚和功能框图
下面简要介绍TCS230芯片各个引脚的功能及它的一些组合选项。
S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型；OE是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时，也可以作为片选信号；OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压。
表1是S0、S1及S2、S3的可用组合。
表1 S0、S1及S2、S3的组合选项
2 TCS230识别颜色的原理
由上面的介绍可知，这种可编程的彩色光到频率转换器适合于色度计测量应用领域，如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材料的过程控制和色彩配合。
下面以TCS230在液体颜色识别中的应用为例，介绍它的具体使用。
首先了解一些光与颜色的知识。
（1） 三原色的感应原理
通常所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它上面的白光（日光）中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反应。
白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光（如红R、黄Y、绿G、青V、蓝B、紫P）。
根据德国物理学家赫姆霍兹（Helinholtz）的三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的。
（2） TCS230识别颜色的原理
由三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。
对于TCS230来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其他原色的通过。
例如：
当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同理，选择其他的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。
通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色。
（3） 白平衡和颜色识别原理
白平衡就是告诉系统什么是白色。
从理论上讲，白色是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的；但实际上，白色中的三原色并不完全相等，并且对于TCS230的光传感器来说，它对这三种基本色的敏感性是不相同的，导致TCS230的RGB输出并不相等，因此在测试前必须进行白平衡调整，使得TCS230对所检测的“白色”中的三原色是相等的。
进行白平衡调整是为后续的颜色识别作准备。
在本装置中，白平衡调整的具体步骤和方法如下：
将空的试管放置在传感器的上方，试管的上方放置一个白色的光源，使入射光能够穿过试管照射到TCS230上；根据前面所介绍的方法，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，分别测得红色、绿色和蓝色的值，然后就可计算出需要的3个调整参数。
当用TCS230识别颜色时，就用这3个参数对所测颜色的R、G和B进行调整。
这里有两种方法来计算调整参数：
①依次选通三种颜色的滤波器，然后对TCS230的输出脉冲依次进行计数。
当计数到255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间。
这些时间对应于实际测试时TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R、G和B的值。
②设置定时器为一固定时间（例如10ms），然后选通三种颜色的滤波器，计算这段时间内TCS230的输出脉冲数，计算出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为255。
在实际测试时，使用同样的时间进行计数，把测得的脉冲数再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所对应的R、G和B的值。
3 TCS230的应用——颜色识别电路
基于上述分析，采用89C51和TCS230设计一个医用液体颜色识别装置。
该装置具有结构简单、识别精度和效率高的特点，并且能够和上位机通信，以将识别的结果实时传送给上位机。
由于是说明TCS230的使用情况，下面仅给出其中的TCS230识别电路，如图2所示。
图2中用89C51的P1口的几图3软件流程个引脚来控制TCS230的各个控制引脚，而TCS230的输出引脚连接到89C51的定时器/计数器1的输入端（P35）。
设置89C51定时器/计数器为相应的工作方式，初始化89C51定时器为一个定值，再选择TCS230的输出比例因子，并使能输出引脚。
实际使用中，通过读取89C51计数器的值，就可以分别计算出TCS230的3种输出频率，进而确定R、G、B值及颜色。
相应的软件流程如图3所示。
图2 TCS230颜色识别接口电路
在程序流程中：
系统初始化负责设置89C51的定时器/计数器的工作方式，选择TCS230的输出比例因子，使能输出引脚以及通信参数的设置。
初始化完成后，检测是否需要进行白平衡调整。
如有，调整白平衡子程序；否则，转到下一步，检测是否需要进行颜色识别。
如不需要颜色识别，返回；如需要颜色识别，调用颜色识别子程序，直到颜色识别完毕。
图3 软件流程
4 应用中需要注意的问题
① 颜色识别时要避免外界光线的干扰，否则会影响颜色识别的结果。
最好把传感器、光源等放置在一个密闭、无反射的箱子中进行测试。
② 对光源没有特殊的要求，但是光源发出的光要尽量集中，否则会造成传感器之间的相互干扰。
③ 当第1次使用TCS230时，或TCS230识别模块重启、更换光源等情况时，都需要进行白平衡调整。
结语
文章从TCS230的结构特点出发，介绍了色光理论和颜色识别的知识，以及白平衡的原理和进行调整的方法。
结合一个具体的应用，给出了相应的硬件设计电路和软件流程图。
该传感器和文中介绍的方法对进行其他的颜色识别，也有很大的帮助
摘要：
TCS230可编程彩色光／频率转换器是为高分辨率彩色传感器提供PWM数字接口的首款集成器件，该器件在单芯片上集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流／频率转换器。
文中详细介绍了TCS230的基本结构、主要性能及应用信息。
关键词：
TCS230；光／频率转换器；可编程；彩色传感器
１ 概述
ＴＣＳ２３０是ＴＡＯＳ公司最新推出的业界首款带数字兼容接口的ＲＧＢ彩色光／频率转换器，它内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流／频率转换器，其结构框图如图１所示。
ＴＣＳ２３０输出为占空比５０％的方波，且输出频率与光强度成线性关系。
该转换器对光响应范围为２５００００～１，典型输出频率范围为２Ｈｚ～５００ｋＨｚ，用户可通过两个可编程引脚来选择１００％、２０％或２％的输出比例因子。
ＴＣＳ２３０的输入输出引脚可直接与微处理器或其他逻辑电路连接。
通过输出使能端ＯＥ将输出置于高阻状态可使多个器件共享一条微处理器输入线。
ＴＣＳ２３０可编程彩色光／频率转换器将红、绿和蓝滤波器集成在单芯片上，因此无需ＡＤＣ就可实现每彩色信道１０位以上的分辨率。
芯片内含一个交叉连接的８×８光电二极管阵列，其中每１６个二极管提供一种色彩类型，共有红、蓝、绿和清除全部光信息四种类型，可最大限度地降低入射光幅射的不均匀性。
所有同颜色的１６个光电二极管都是并联连接，工作时通过可编程的引脚来动态选择色彩，以此来增加精确度和简化光学电路。
该芯片采用８引脚ＳＯＩＣ表面贴封装，适用于色度计的测量应用。
ＴＣＳ２３０的主要特点如下：
●可完成高分辨率的光照度／频率转换；
●色彩和满度输出频率可编程调整；
●可直接与微处理器通讯；
●单电源工作，工作电压范围：
２．７Ｖ～５．５Ｖ；
●具备掉电恢复功能；
●５０ｋＨｚ时非线性误差的典型值为０．２％；
●稳定的２００ｐｐｍ／℃的温度系数。
２ＴＣＳ２３０的引脚功能
ＴＣＳ２３０的引脚排列如图２所示，各管脚的功能描述见表１所列。
表1TCS230管脚功能
引脚号
符号
类型
功能说明
1
S0
I
输出频率分频系数选择输入端
2
S1
I
3
OE
I
输入频率使能端。
低电平有效
4
GND
电源地
5
VDD
电源电压
6
OUT
O
输出频率（fo）
7
S2
I
光电二极管类型选择输入端
8
S3
I
３ＴＣＳ２３０的主要参数
３．１电学特性参数
ＴＣＳ２３０在ＴＡ＝２５℃ＶＤＤ＝５Ｖ条件下的电学特性如表２所列。
其中，满度输出频率是指传感器在没有饱和时的最大输出频率。
表2TCS230的电学特性参数
参数
测试条件
最小
典型
最大
单位
VOH高电平输出电压
IOH=-4mA
4
4.5
V
VOL低电平输出电压
IOL=4mA
0.25
0.4
V
IIH高电平输入电流
5
μA
IIL低电平输入电流
5
μA
IDD电源电流
上电模式
2
3
mA
掉电模式
7
15
μA
满度输出频率
S0=H，S1=H
500
600
kHz
S0=H，S1=L
100
120
kHz
S0=L，S1=H
10
12
kHz
输出频率的温度系数
λ≤700nm，-25℃≤TA≤70℃
±200
ppm/℃
KSVS电源电压灵敏度
VDD=5V±10%
±0.5
%/V
３．２工作特性参数
ＴＣＳ２３０的工作特性参数如表３所列。
其中，饱和度是指满度输出频率与光灵敏度之比；照明响应度Ｒｖ可通过发光功率值由光灵敏度计算得出；非线性度定义为输出频率ｆＯ偏离０和满度频率之间直线的程度，可表示为满度频率的百分比。
所有测试均采用发光二极管做光源，以小角度入射辐射光进行测量。
表3TCS230的工作特性参数
参数
测试条件
清除光信息光电二极管S2=H，S3=L
蓝色光电二极管S2=L，S3=H
绿色光电二极管S2=H，S3=H
红色光电二极管S2=L，S3=L
单位
最小
典型
最大
最小
典型
最大
最小
典型
最大
最小
典型
最大
fo输出频率
Ee=47.2μW/cm2λp=470nm
16
20
24
11.2
16.4
21.6
kHz
Ee=40.4μW/cm2λp=524nm
16
20
24
8
13.6
19.2
kHz
Ee=36.6μW/cm2λp=640nm
16
20
24
14
19
24
kHz
fD暗频率
Ee=0
2
12
2
12
2
12
2
12
Hz
Re光灵敏度
λp=470nm
424
348
81
26
Hz/（μW/cm2）
λp=524nm
495
163
337
35
λp=565nm
532
37
309
91
λp=640nm
578
17
29
550
光饱和度
λp=470nm
1410
1720
μW/cm2
λp=524nm
1210
1780
λp=565nm
1130
1940
λp=640nm
1040
1090
Rv照明响应度
λp=470nm
565
464
108
35
Hz/lx
λp=524nm
95
31
65
7
λp=565nm
89
6
52
15
λp=640nm
373
11
19
355
非线性
fo=0～5kHz
±0.1%
±0.1%
±0.1%
±0.1%
%F.S
f0=0～50kHz
±0.2%
±0.2%
±0.2%
±0.2%
%F.S
f0=0～50kHz
±0.5%
±0.5%
±0.5%
±0.5%
%F.S
掉电恢复
100
100
100
100
μs
输出使能响应时间
100
100
100
100
ns
４ 应用设计
４．１光电二极管的选择
光电二极管的类型（蓝色、绿色、红色、清除）选择可通过控制两个逻辑输入Ｓ２和Ｓ３来实现，具体方法如表４所列。
表4光电二极管类型选择
S2
S3
光电二极管类型
L
L
红色
L
H
蓝色
H
L
清除（无滤波器）
H
H
绿色
表5输出频率分频比例选择
S0
S1
输出频率分频比例
L
L
掉电
L
H
2%
H
L
20%
H
H
100%
４．２输出频率分频设定
输出频率分频比由两个逻辑输入Ｓ０和Ｓ１控制，如表５所列。
内部光／频率转换器产生一个固定脉冲宽度的脉冲串。
输出频率的分频通过将转换器脉冲串输出连接到一连串的分频器来实现，从而使输出为占空比５０％相应频率值为１００％，２０％和２％的方波。
由于输出频率的分频由主内部计数器的计数脉冲来完成，所以最终输出周期为多个主频率周期的平均值。
在任一Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３和ＯＥ线转换之后，输出分频计数寄存器都将在下一个主频率脉冲出现时被清零。
随后在主频率脉冲上输出变为高电平，以开始新的有效周期。
这样一来将缩小输入线上变换之间的时间延迟，并产生新的输出周期。
一个输入编程变化或一个光阶变化的响应时间等于一个新的频率周期加１μｓ。
分频输出通过选定的分频系数来改变满度频率和暗频率。
传感器对输出频率的分频功能使输出范围在采用多种测量方法时都可达到最佳。
采用小分频系数的输出可用于仅需低频计数的场合（如低成本微处理器）或使用周期测量技术的场合。
４．３频率测量
在设计频率测量电路时，接口和测量技术的选择取决于期望的分辨率和数据采集速率。
采用周期测量技术可获得最大的数据采集速率。
输出数据以两倍输出频率的速率进行采集，对满量程输出可以每毫秒一个数据点的速率进行采集。
周期测量要求使用快速参考时钟，此参考时钟带有与其速率直接相关的可用分辨率。
对于特定的时钟速率，输出分频可用于提高分辨率，或在光输入改变时使分辨率最大化。
周期测量用于快速测量变化的光电平或进行连续光源的测量。
使用频率测量、脉冲计数或综合技术可获得最大的分辨率和精度。
频率测量具有更多的优点，如对平均随机输出和光信号中的噪声与电源噪声导致的高频变化的测量。
分辨率主要受可用计数寄存器和允许测量时间的限制。
频率测量非常适于缓慢变化或连续的光信息，并且适于读取超过短周期定时的平均光信息。
综合技术用于测量暴露物和出现在超过给定定时周期区域的光脉冲的数量。
选用ＴＳＣ２３０光／频转换器与微控制器组成的光子计数器电路连接图如图３所示。
图中将彩色光／频转换器与微控制器连接在一起，其光电二极管类型（蓝色、绿色、红色、清除）的选择与分频输出则可由微控制器编程设定。
４．４应用中需注意的问题
（１）电源线必须采用０．０１μＦ～０．１μＦ的电容退耦，且电容应尽可能靠近芯片。
（２）芯片的ＯＥ引脚和ＧＮＤ引脚之间需采用低阻抗连接，以提高抗噪声能力。
（３）芯片的输出设计为短距离驱动标准ＴＴＬ或ＣＭＯＳ逻辑输入电平。
若输出线超过１２英寸，则建议使用缓冲器或线驱动器。
５ 结束语
ＴＣＳ２３０使用硅光电二极管来测量光强，因而具有响应快、重复性和稳定性好等特点，特别适用于彩色打印机、医疗诊断、计算机彩色监视器校正、过程控制以及颜料、纺织品、化装品和印刷材料的配色等应用方面。
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