高分辨率颜色传感器TCS230的原理和应用

    摘要：tcs230是美国taos公司生产的一种可编程彩色光到频率的转换器。论文主要介绍它的原理和应用。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。文中还介绍色光和白平衡的知识，并用一个实例来介绍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磺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。本文介绍美国taos公司最新推出的颜色传感器tcs230。它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(texas advanced optoelectronic solutions)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，同时在单一芯片上还集成了红绿蓝(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它逻辑电路相连接。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的引脚封装和功能框图。

    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幅射的不均匀性，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。

    从功能框图可知：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。

    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。图2是s0、s1及s2、s3的可用组合。

    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。本文以tcs230在液体颜色识别中的应用为例，介绍它的具体使用。在开始介绍tcs230的颜色识别前