隨著現代工業生產向高速化、自動化方向的發展，生產過程中長期以來由人眼起主導作用的顏色識別工作將越來越多地被相應的顏色傳感器所替代。例如：圖書館使用顏色區分對文獻進行分類，能夠極大地提高排架管理和統計等工作；在包裝行業，產品包裝利用不同的顏色或裝潢來表示其不同的性質或用途。目前的顏色傳感器通常是在獨立的光電二極管上覆蓋經過修正的紅、綠、籃濾光片，然后對輸出信號進行相應的處理，才能將顏色信號識別出來；有的將兩者集合起來，但是輸出模擬信號，需要一個A/D電路進行采樣，對該信號進一步處理，才能進行識別，增加了電路的復雜性，并且存在較大的識別誤差，影響了識別的效果。TAOS(Texas Advanced Optoelectronic Solutions)公司最新推出的顏色傳感器TCS230，不僅能夠實現顏色的識別與檢測，與以前的顏色傳感器相比，還具有許多優良的新特性。

TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上集成了紅綠藍(RGB)三種濾光器，是業界第一個有數字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230的輸出信號是數字量，可以驅動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數字量，并且能夠實現每個彩色信道10位以上的轉換精度，因而不再需要A/D轉換電路，使電路變得更簡單。圖1是TCS230的引腳和功能框圖。

圖1中，TCS230采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中16個光電二極管帶有紅色濾波器；16個光電二極管帶有綠色濾波器；16個光電二極管帶有藍色濾波器；其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。這些光電二極管在芯片內是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時，通過兩個可編程的引腳來動態選擇所需要的濾波器。該傳感器的典型輸出頻率范圍從2 Hz~500 kHz，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應不同的測量范圍，提高了它的適應能力。例如，當使用低速的頻率計數器時，就可以選擇小的定標值，使TCS230的輸出頻率和計數器相匹配。

　　從圖1可知：當入射光投射到TCS230上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經過電流到頻率轉換器后輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，不同的顏色和光強對應不同頻率的方波；還可以通過輸出定標控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調整，以適應不同的需求。

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圖1   TCS230的引腳和功能框圖

　　下面簡要介紹TCS230芯片各個引腳的功能及它的一些組合選項。

　　S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態，當有多個芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時，也可以作為片選信號；OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓。表1是S0、S1及S2、S3的可用組合。

表1   S0、S1及S2、S3的組合選項
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　　由上面的介紹可知，這種可編程的彩色光到頻率轉換器適合于色度計測量應用領域，如彩色打印、醫療診斷、計算機彩色監視器校準以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過程控制和色彩配合。下面以TCS230在液體顏色識別中的應用為例，介紹它的具體使用。首先了解一些光與顏色的知識。

　�。�1）   三原色的感應原理
　　通常所看到的物體顏色，實際上是物體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應。白色是由各種頻率的可見光混合在一起構成的，也就是說白光中包含著各種顏色的色光(如紅R、黃Y、綠G、青V、藍B、紫P)。根據德國物理學家赫姆霍茲(Helinholtz)的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色(紅、綠、藍)混合而成的。

　�。�2）   TCS230識別顏色的原理
　　由三原色感應原理可知，如果知道構成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測試物體的顏色。對于TCS230來說，當選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色通過，阻止其他原色的通過。例如：當選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色可以通過，藍色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強；同理，選擇其他的濾波器，就可以得到藍色光和綠色光的光強。通過這三個值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。

　　（3）   白平衡和顏色識別原理
　　白平衡就是告訴系統什么是白色。從理論上講，白色是由等量的紅色、綠色和藍色混合而成的；但實際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對于TCS230的光傳感器來說，它對這三種基本色的敏感性是不相同的，導致TCS230的RGB輸出并不相等，因此在測試前必須進行白平衡調整，使得TCS230對所檢測的“白色”中的三原色是相等的。進行白平衡調整是為后續的顏色識別作準備。在本裝置中，白平衡調整的具體步驟和方法如下：將空的試管放置在傳感器的上方，試管的上方放置一個白色的光源，使入射光能夠穿過試管照射到TCS230上；根據前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍色濾波器，分別測得紅色、綠色和藍色的值，然后就可計算出需要的3個調整參數。
　　當用TCS230識別顏色時，就用這3個參數對所測顏色的R、G和B進行調整。這里有兩種方法來計算調整參數：① 依次選通三種顏色的濾波器，然后對TCS230的輸出脈沖依次進行計數。當計數到255時停止計數，分別計算每個通道所用的時間。這些時間對應于實際測試時TCS230每種濾波器所采用的時間基準，在這段時間內所測得的脈沖數就是所對應的R、G和B的值。② 設置定時器為一固定時間(例如10 ms)，然后選通三種顏色的濾波器，計算這段時間內TCS230的輸出脈沖數，計算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數變為255。在實際測試時，使用同樣的時間進行計數，把測得的脈沖數再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對應的R、G和B的值。

　　基于上述分析，采用89C51和TCS230設計一個醫用液體顏色識別裝置。該裝置具有結構簡單、識別精度和效率高的特點，并且能夠和上位機通信，以將識別的結果實時傳送給上位機。由于是說明TCS230的使用情況，下面僅給出其中的TCS230識別電路，如圖2所示。圖2中用89C51的P1口的幾圖3軟件流程個引腳來控制TCS230的各個控制引腳，而TCS230的輸出引腳連接到89C51的定時器/計數器1的輸入端(P35)。設置89C51定時器/計數器為相應的工作方式，初始化89C51定時器為一個定值，再選擇TCS230的輸出比例因子，并使能輸出引腳。實際使用中，通過讀取89C51計數器的值，就可以分別計算出TCS230的3種輸出頻率，進而確定R、G、B值及顏色。相應的軟件流程如圖3所示。

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圖2   TCS230顏色識別接口電路

　　在程序流程中：系統初始化負責設置89C51的定時器/計數器的工作方式，選擇TCS230的輸出比例因子，使能輸出引腳以及通信參數的設置。初始化完成后，檢測是否需要進行白平衡調整。如有，調整白平衡子程序；否則，轉到下一步，檢測是否需要進行顏色識別。如不需要顏色識別，返回；如需要顏色識別，調用顏色識別子程序，直到顏色識別完畢。

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圖3   軟件流程

　　①   顏色識別時要避免外界光線的干擾，否則會影響顏色識別的結果。最好把傳感器、光源等放置在一個密閉、無反射的箱子中進行測試。

　　②   對光源沒有特殊的要求，但是光源發出的光要盡量集中，否則會造成傳感器之間的相互干擾。

　　③   當第1次使用TCS230時，或TCS230識別模塊重啟、更換光源等情況時，都需要進行白平衡調整。

摘要：TCS230可編程彩色光／頻率轉換器是為高分辨率彩色傳感器提供PWM數字接口的首款集成器件，該器件在單芯片上集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流／頻率轉換器。文中詳細介紹了TCS230的基本結構、主要性能及應用信息。

關鍵詞：TCS230；光／頻率轉換器；可編程；彩色傳感器

１　概述

ＴＣＳ２３０ 是ＴＡＯＳ公司最新推出的業界首款帶數字兼容接口的ＲＧＢ彩色光／頻率轉換器，它內部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流／頻率轉換器，其結構框圖如圖１所示。ＴＣＳ２３０輸出為占空比５０％的方波，且輸出頻率與光強度成線性關系。該轉換器對光響應范圍為２５０�煟埃埃啊�１，典型輸出頻率范圍為２Ｈｚ～５００ｋＨｚ，用戶可通過兩個可編程引腳來選擇１００％、２０％或２％的輸出比例因子。ＴＣＳ２３０的輸入輸出引腳可直接與微處理器或其他邏輯電路連接。通過輸出使能端ＯＥ將輸出置于高阻狀態可使多個器件共享一條微處理器輸入線。

ＴＣＳ２３０可編程彩色光／頻率轉換器將紅、綠和藍濾波器集成在單芯片上，因此無需ＡＤＣ就可實現每彩色信道１０位以上的分辨率。芯片內含一個交叉連接的８×８光電二極管陣列，其中每１６個二極管提供一種色彩類型，共有紅、藍、綠和清除全部光信息四種類型，可最大限度地降低入射光幅射的不均勻性。所有同顏色的１６個光電二極管都是并聯連接，工作時通過可編程的引腳來動態選擇色彩，以此來增加精確度和簡化光學電路。該芯片采用８引腳ＳＯＩＣ表面貼封裝，適用于色度計的測量應用。

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ＴＣＳ２３０的主要特點如下：

●可完成高分辨率的光照度／頻率轉換；

●色彩和滿度輸出頻率可編程調整；

●可直接與微處理器通訊；

●單電源工作，工作電壓范圍：２．７Ｖ～５．５Ｖ；

●具備掉電恢復功能；

●５０ｋＨｚ時非線性誤差的典型值為０．２％；

●穩定的２００ｐｐｍ／℃的溫度系數。
２ ＴＣＳ２３０的引腳功能

ＴＣＳ２３０的引腳排列如圖２所示，各管腳的功能描述見表１所列。
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表1 TCS230管腳功能

３．１ 電學特性參數

ＴＣＳ２３０在ＴＡ ＝２５℃�煟郑模模剑担謼l件下的電學特性如表２所列。其中，滿度輸出頻率是指傳感器在沒有飽和時的最大輸出頻率。

３．２ 工作特性參數

ＴＣＳ２３０的工作特性參數如表３所列。其中，飽和度是指滿度輸出頻率與光靈敏度之比；照明響應度Ｒｖ可通過發光功率值由光靈敏度計算得出；非線性度定義為輸出頻率ｆＯ偏離０和滿度頻率之間直線的程度，可表示為滿度頻率的百分比。所有測試均采用發光二極管做光源，以小角度入射輻射光進行測量。

４．１ 光電二極管的選擇

光電二極管的類型（藍色、綠色、紅色、清除）選擇可通過控制兩個邏輯輸入Ｓ２ 和Ｓ３來實現，具體方法如表４所列。

４．２ 輸出頻率分頻設定

輸出頻率分頻比由兩個邏輯輸入Ｓ０和Ｓ１控制，如表５所列。內部光／頻率轉換器產生一個固定脈沖寬度的脈沖串。輸出頻率的分頻通過將轉換器脈沖串輸出連接到一連串的分頻器來實現，從而使輸出為占空比５０％�犗鄳�頻率值為１００％，２０％和２％的方波。由于輸出頻率的分頻由主內部計數器的計數脈沖來完成，所以最終輸出周期為多個主頻率周期的平均值。

在任一Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３和ＯＥ線轉換之后，輸出分頻計數寄存器都將在下一個主頻率脈沖出現時被清零。隨后在主頻率脈沖上輸出變為高電平，以開始新的有效周期。這樣一來將縮小輸入線上變換之間的時間延遲，并產生新的輸出周期。一個輸入編程變化或一個光階變化的響應時間等于一個新的頻率周期加１μｓ。分頻輸出通過選定的分頻系數來改變滿度頻率和暗頻率。傳感器對輸出頻率的分頻功能使輸出范圍在采用多種測量方法時都可達到最佳。采用小分頻系數的輸出可用于僅需低頻計數的場合（如低成本微處理器）或使用周期測量技術的場合。

４．３ 頻率測量

在設計頻率測量電路時，接口和測量技術的選擇取決于期望的分辨率和數據采集速率。采用周期測量技術可獲得最大的數據采集速率。輸出數據以兩倍輸出頻率的速率進行采集，對滿量程輸出可以每毫秒一個數據點的速率進行采集。周期測量要求使用快速參考時鐘，此參考時鐘帶有與其速率直接相關的可用分辨率。對于特定的時鐘速率，輸出分頻可用于提高分辨率，或在光輸入改變時使分辨率最大化。周期測量用于快速測量變化的光電平或進行連續光源的測量。

使用頻率測量、脈沖計數或綜合技術可獲得最大的分辨率和精度。頻率測量具有更多的優點，如對平均隨機輸出和光信號中的噪聲與電源噪聲導致的高頻變化的測量。分辨率主要受可用計數寄存器和允許測量時間的限制。頻率測量非常適于緩慢變化或連續的光信息，并且適于讀取超過短周期定時的平均光信息。綜合技術用于測量暴露物和出現在超過給定定時周期區域的光脈沖的數量。

選用ＴＳＣ２３０光／頻轉換器與微控制器組成的光子計數器電路連接圖如圖３所示。圖中將彩色光／頻轉換器與微控制器連接在一起，其光電二極管類型（藍色、綠色、紅色、清除）的選擇與分頻輸出則可由微控制器編程設定。file:///C:/Users/DZ/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif

４．４ 應用中需注意的問題

（１）電源線必須采用０．０１μＦ～０．１μＦ的電容退耦，且電容應盡可能靠近芯片。

（２）芯片的ＯＥ引腳和ＧＮＤ引腳之間需采用低阻抗連接，以提高抗噪聲能力。

（３）芯片的輸出設計為短距離驅動標準ＴＴＬ或ＣＭＯＳ邏輯輸入電平。若輸出線超過１２英寸，則建議使用緩沖器或線驅動器。

ＴＣＳ２３０使用硅光電二極管來測量光強，因而具有響應快、重復性和穩定性好等特點，特別適用于彩色打印機、醫療診斷、計算機彩色監視器校正、過程控制以及顏料、紡織品、化裝品和印刷材料的配色等應用方面。