摘 要： 介紹了基于MSP430微控制器和TCS230顏色傳感器實現(xiàn)顏色識別的基本方法及其識別電路；同時簡要介紹基于FT232BM的USB串行通信的實現(xiàn)。采用MSP430作為主控微控制器對TCS230采集的顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、標(biāo)定、存儲并通過FT232BM傳輸至上位機。
關(guān)鍵詞： MSP430；顏色識別；TCS230；USB通信；FT232BM
隨著社會的進(jìn)步、科技的發(fā)展，生產(chǎn)和圖像處理過程中的顏色識別已被基于顏色識別傳感器的顏色識別系統(tǒng)所代替。TCS230顏色識別傳感器將紅綠藍(lán)三基色（RGB）的模擬信號轉(zhuǎn)換成一定頻率的頻率信號，MSP430主控微控制器將TCS230傳輸頻率信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，對此信號進(jìn)行處理、標(biāo)定，并對TCS230回饋控制。USB通信因本身含有電源，因此可以采用此電源為顏色識別微控制器系統(tǒng)的控制電源。FT232BM為USB-Serial的集成芯片，主要實現(xiàn)在微控制系統(tǒng)USB通信和上位機RS232通信之間的轉(zhuǎn)換。由于顏色的識別需要初始化的基準(zhǔn)，因此本系統(tǒng)中設(shè)計有存儲初始化數(shù)據(jù)的存儲電路以及初始化數(shù)據(jù)自動生成和讀取的程序。
1 顏色傳感器TCS230
TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，是業(yè)界第一個有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230可實現(xiàn)每個彩色通道10位以上的A/D轉(zhuǎn)換，圖1是TCS230的引腳和功能框圖。
1.1 TCS230識別顏色的原理
TCS230采用8引腳的SOIC表貼或DIP封裝。在芯片上集成4種類型：(1)帶有紅色濾波器；(2)帶有綠色濾波器；(3)帶有藍(lán)色濾波器；(4)不帶濾波器各16個共64個光電二極管。64個光電二極管交叉并聯(lián)均勻分布，可以最大限度減少入射光的不均勻性，又可以消除顏色的位置誤差。
S0、S1為輸出比例因子或電源關(guān)斷模式，S2、S3為濾波器類型的選擇，如表1。OE 為頻率輸出使能，也可以片選信號，低電平有效；OUT為頻率輸出。
當(dāng)入射光投射到TCS230時，通過S2、S3的不同組合，選擇不同的濾波器，經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路輸出不同頻率占空比為1/2的方波。不同頻率和光強對應(yīng)不同的頻率，選擇S0、S1的組合，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率進(jìn)行微調(diào)。MSP430對TCS230輸出的頻率進(jìn)行測試后得到一定的數(shù)據(jù)，再與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而確定收到的光的顏色的比例及強度。
1.2 TCS230與MSP430的接口電路
圖2為MSP430微控制器和TCS230的接口電路，MSP430系列單片機具有超低功耗、強大的處理能力、高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊、系統(tǒng)工作穩(wěn)定等優(yōu)點。P1.5控制頻率輸出；P1.1、P1.2控制輸出比例因子； P1.3、P1.4控制濾波器選擇；頻率輸出接至MSP430定時器的外部輸入TACLK端，設(shè)置 MSP430的定時器為外部計數(shù)方式。通過讀取基本計數(shù)器A的數(shù)值確定TCS230的輸出頻率，并根據(jù)P1.1、P1.2、P1.3、P1.4的控制數(shù)據(jù)就可以確定R、G、B的顏色及強度。
2 FT232BM
USB是現(xiàn)代化的接口并通過USB總線直接給設(shè)備供電，USB接口輕巧并能使大量數(shù)據(jù)在其中傳輸。但是USB硬件設(shè)計因為高頻率和復(fù)雜的協(xié)議而變得困難。采用FTDI公司的FT232BM就可以很好解決這個問題。FT232BM芯片一邊是RS232，另一邊是USB，將原來需要外加電源的MAX232轉(zhuǎn)化成了帶RS232轉(zhuǎn)換線的FT232BM芯片就可以實現(xiàn)USB和RS232通信之間的轉(zhuǎn)換。
FT232BM需要外接6 MHz晶振，采用2腳陶瓷晶振時，在晶振的兩腳需外接27 pF的對地電容。盡管FT232BM工作時可以不外接93C46存儲器，但93C46存儲器常用于USB內(nèi)部VID、PID、串行數(shù)、產(chǎn)品描述符等參數(shù)的設(shè)置，因此實際設(shè)計中一般均使用，尤其在多片F(xiàn)T232BM連接到一個PC機上時。外接的93C46（56、66）存儲器數(shù)據(jù)要求16 bit，因此93C46的ORG腳接高電平。EECS腳(E2PROM片選)接93C46的CS腳(片選)；EESK(E2PROM 信號時鐘)接93C46的SK(時鐘信號)；EEDATA(E2PROM數(shù)據(jù))腳接至93C46的DI（數(shù)據(jù)輸入腳）和DO腳（數(shù)據(jù)輸出），為防止輸入輸出數(shù)據(jù)的相互干擾，在DI和DO之間連接2.2 k?贅的電阻加以隔離，如圖3所示。RSTOUT、USBDP、USBDM通過相應(yīng)的電阻接至USB的“B”連接頭上和外部USB口連接，如圖3所示。FT232BM的TXD、RXD和MSP430的URXD0、UTXD0交叉連接，實現(xiàn)FT232BM和MSP430之間的串口通信，如圖3所示。
3 MSP430控制電路
MSP430帶有6個I/O端口，各端口有大量的控制寄存器供用戶操作，最大限度提供了輸入/輸出的靈活性。通過設(shè)置寄存器，每個I/O位都可以獨立編程，允許任意組合輸入、輸出及中斷，P1和P2所有8 bit全部可以做中斷處理，可以使用所有指令對寄存器操作，可以按字節(jié)輸入輸出，也可按位操作。I/O端口的基本寄存器包括端口方向選擇寄存器PxDIR、輸入寄存器PxIN、輸出寄存器PxOUT、功能選擇寄存器PxSEL、P1和P2還帶有中斷觸發(fā)沿選擇寄存器PxIES、中斷標(biāo)志寄存器PxIFG。MSP430為識別電路的主控芯片，主要對TCS230顏色輸出的頻率信號進(jìn)行處理和存儲，接口如圖2所示。同時完成和FT232BM之間的通信轉(zhuǎn)換，接口如圖3所示。為使顏色識別有統(tǒng)一的基準(zhǔn)，在顏色識別之前對相關(guān)色彩的強弱要進(jìn)行初始標(biāo)定、計算和存儲。AT24C32為32 KB(4 096×8)串行通信的E2PROM。A0、A1、A2為片選端，在多片系統(tǒng)確定每個芯片的地址。WP為芯片寫保護(hù)端，高電平時為只讀芯片，低電平為讀寫芯片。SCL為讀寫時鐘端，接MSP430的P5.1腳，SDA為讀寫數(shù)據(jù)、地址端，接MSP430的P5.2腳。AT24C32用來存儲各顏色的初始基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以后讀取的數(shù)據(jù)均和此數(shù)據(jù)比較，以確定顏色及光的強度。
TC7660為高頻率的直流電壓轉(zhuǎn)換器，僅需2個電容就可以實現(xiàn)+1.5 V~+10 V電壓至-1.5 V~-10 V電壓的轉(zhuǎn)換。LM317為輸出為1.2 V~37 V電壓調(diào)整管。ULN2803AG為高電壓、大電流的達(dá)林頓管。MSP430的P5.3、P5.4、P5.5的高低電平，經(jīng)ULN2803AG驅(qū)動后接至顏色識別系統(tǒng)的感光測頭，R、G、B和W之間的電壓即為感光測頭供給紅、綠、藍(lán)3個標(biāo)準(zhǔn)發(fā)光管的電壓。通過LM317即可調(diào)整W的電位，調(diào)整RW、GW、BW之間的電壓值，從而改變基準(zhǔn)顏色的光強。圖4所示為MSP430控制圖。
4 軟件系統(tǒng)
本顏色識別系統(tǒng)軟件主要包括：(1)主控器MSP430和TCS230接口測頻程序；(2)主控器MSP430和FT232BM串行通信程序；(3)主控器MSP430和AT24C32數(shù)據(jù)讀寫和比較程序；(4)主控器MSP430和ULN2803AG接口的電壓控制程序。
在使用時要對顏色基準(zhǔn)與色標(biāo)之間進(jìn)行比較標(biāo)定。測頭先讀取色標(biāo)的顏色和光強值，并存儲為比較的基準(zhǔn)值。本系統(tǒng)設(shè)計簡潔、開發(fā)周期短、成本較低、功能較為完善，可以用于對液體、圖片等顏色的識別。本系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于彩色擴印機的圖像識別系統(tǒng)中，取得了較好的經(jīng)濟價值。
參考文獻(xiàn)
[1] 宋家友.集成電子線路設(shè)計手冊[M].福建：福建科學(xué)技術(shù) 出版社，2002，1.
[2] 楊素行.模擬電子技術(shù)簡明教程[M].北京：高等教育出版 社(第三版)，2005，10.
[3] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000，6.
[4] 胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設(shè)計與開發(fā)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003，1.