可编程彩色光频转换器及其应用

李志刚，张嘉倍，胡会超，董海波

(1.郑州华力信息技术有限公司，河南 郑州 450006;2.东北大学，辽宁 沈阳 110819)

我们知道人眼看到物体颜色通常是物体本身所反射光的颜色。比如我们看到红色物体，通常是日光中的其他颜色光被该物体吸收，而只有红色光被物体反射出来，我们会称这个物体是红颜色的。光学实验告诉我们，日光通过棱镜后会被分离出七种颜色的光，也就是我们通常说的赤橙黄绿青蓝紫。根据德国物理学家赫姆霍兹(Helinholtz)的三基色理论，所有的光颜色均由三种基本的颜色根据的不同比率红、绿、蓝混合而成。这三种颜色才是所有颜色中最基础的颜色。而其他颜色只不过是他们的混合体，这三种颜色之间并不可以互相产生。换句话说我们在需要知道某个物体颜色的时候，只需要知道三基色的各自所占比率就相当于得知了该物体的颜色。

为了检测物体的颜色，我们采用了TCS230，它是美国TAOS 公司推出的可编程彩色光/频率转换器。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。

1 芯片介绍

1.1 特点

●高分辨率光强/频率转换

●可编程彩色满量程频率输出

●接与MCU 通信

●单电源工作(2.7 V～5.5 V)

●具备掉电功能

●非线性误差在50 kHz 时为0.2%

●稳定的200 ppm/℃温度系数

●表贴封装。

1.2 概述

TCS230 可编程光频转换器是由可配置的硅光二极管阵列和一个电流/频率转换器在一个单片CMOS 集成电路中组成。输出是一个频率正比于光照度的50%占空比的方波。满量程输出可通过2 个控制输入脚来选择3 种预置比率输出。数字输入口和数字输出口允许直接与单片机和其他逻辑电路直接相连。在多外设共享单片机输入口时，输出允许使芯片处于高阻态。

光频转换器有8 ×8 光电二极管阵列。16 个光电管具备蓝色滤波器，16 个光电管具备绿色滤波器，16 个光电管具备红色滤波器，16 个光电管无滤波器。4 类二极管阵列被集成到一起以减小入射光的不一致性。所有的16 个同样颜色的光电二极管并联在一起，设备在工作时使用哪种光电二极管可以通过输入脚来选择。

1.3 顶视图

图1 顶视图

1.4 功能框图

图2 功能框图

1.5 管脚功能说明

表1 管脚功能说明

1.6 光电二极管类型选择

表2 光电二极管类型选择

1.7 输出频率分频比例选择

表3 输出频率分频比例选择

1.8 应用

1.8.1 供电

电源必须由0.1 μF 或者0.01 μF 电容进行退耦，并且与芯片靠近安装。

1.8.2 输入接口

OE和GND 之间要求低阻连接，以提高对噪声的抵抗。

1.8.3 输出接口

芯片输出在短距离范围内能驱动TTL 或者CMOS 逻辑输入。如果输出距离超过12 英寸，推荐使用缓冲器或者线路驱动器。

1.8.4 光电管类型选择

光电管的类型(蓝，绿，红，无色)由芯片的两个逻辑输入脚S2，S3 进行控制。

1.8.5 输出频率分频设定

输出频率分频设定由2 个逻辑输入控制脚S0，S1 控制。内部光频转换器产生一个固定脉宽的脉冲串。分频由转换器内部连接脉冲串的一系列分频器完成。分频输出为100%，20%，2%的占空比为50%的方波。因为分频输出是对内部主频进行计数，所以最终的周期是主频的多个周期的平均值。

分频功能允许通过多种测量技术对输出范围进行优化。当一个慢频率计数器有效时，下分频可以使用。这时价格低廉的单片机或者周期测量技术均可使用。

1.8.6 测量频率

接口和测量技术的选择取决于所期望的分辨率和数据捕获率，为了获取最大的数据捕获率，周期测量技术十分必要。

满量程输出时，输出的数据可以以输出频率的两倍或者每ms 一个数据点进行采集。周期测量技术要求使用快速参考时钟以获取与时钟直接相关联的可靠分辨率，输出分频对于给定的时钟速率来说可以增加分辨率，或者当光输入变化可以使分辨率最大化。周期测量技术可以测量快速变化的光强或者对固定光源进行快速测量。

最大的分辨率和精准度可以使用周期测量，脉冲累计或者二者结合使用进行获取。频率测量具备对来自光源的噪声产生的随机或者高频变化进行平均的优势。

分辨率主要受到使用的计数寄存器和允许测量时间的限制，频率测量非常适合慢速变化或者固定光源和读取短时间内的平均光等级。长脉冲周期累加技术可用于曝光和给定时间内的某地方光量。

2 硬件电路

我们使用STC12C5612 做为系统的单片机，由单片机的P3.4，P3.5 与TCS230 的S0，S1 相接完成分频，P1.7，P1.6 与TCS230 的S2，S3 相接完成光电管类型的选择，P3.1 与TCS230 的相连完成输出使能。对于频率比较低的输出我们直接将TCS230 的OUT 与单片的外中断直接相连，对于频率比较高的输出要与单片机的计数口直接相连，并且尽量选择频率比较高的晶振。无论是单片机还是传感器都要在电源处接去耦电容以提高抗干扰，这点不可或缺。布板时晶振要进行“包地”处理。

图3 原理图

3 软件编程

使用keil 公司的开发软件进行编程，由于单片机有2 个定时器/计数器，其中一个用做定时器使用。当硬件采用外中断计数脉冲时，软件上开放外中断直接累加脉冲数。当使用计数口接收脉冲时，用另一个定时器/计数器把它设置成计数模式，对脉冲进行计数，这时也不涉及软件的编写，只需定时读取计数寄存器值即可。

4 需要注意的问题

1)最好将传感器，光源放置在一个相对封闭的空间里进行测试，避开外界光源的干扰，以求对颜色测量的精准度。2)光源发出的光要尽量集中，减少测量误差。3)为了测量准确，有时可以多测几回。

5 总结

TCS230 颜色传感器相对简单易用，比采用较早出现的光强A/D 转换型芯片(例如OPT101)有着“天生”的优势。其一，A/D 转换容易因为受到温度变化，电源杂波，参压源不准确等因素的影响而使测量出现误差。其二，A/D 芯片必须本地对模拟信号进行转换，不易远距离传输。而TSC230 输出的频率信号却可以较远传输。其三，比TCS230 方案涉及外设器件比较多，成本也相对较高。另外与TI 的TSL230 相比，可以采取改变输入端口电平的办法来选择不同的三种颜色滤波器进行测量，而TI 的TSL230 不具备此功能，要依靠不断更换单色光滤镜来完成单色测量得到结果，没有前者简单易用，总体上也没有前者成本低。由此看来选用TCS230对颜色进行测量不失为良好选择。