数字部分 - 基于FPGA与色敏传感器的颜色识别系统

　　4 数字部分

　　本次设计的核心地方是数字部分，系统的搭建是基于Altera公司的NiosII处理器。

　　电压信号经过滤波处理，被传送到A／D转换器，经过A／D转换得到数字信号，为数字部分对信号的识别处理作准备。根据所选用的色敏传感器的工作原理，用 SOPC系统进行控制，对3路模拟电路信号进行同步的A／D转换以增强系统准确性。在保证可靠性和精度的前提下，为降低系统成本，满足对输入数字信号倍数的要求，A／D转换器选用8位串行输出的ADC0809转换器。采用NiosII软核搭建的FPGA系统处理数字信号，主要经过以下操作：

　　①中值滤波，进一步去除干扰信号；

　　②查对数表，查数据所对应的对数值；

　　③求对数比，对分别采集到的2个数据求对数比，为判断是哪种颜色提供依据；

　　④显示颜色识别结果，亮不同的灯来表明所识别出来的不同颜色。

　　4．1 硬件设计

　　在FPGA芯片上搭建一个NiosII处理器系统，包括可配置的NiosII CPU软核、与CPU相连接的片内设备和存储器，以及与片外设备和存储器相连的接口等。

　　NiosII处理器是Altera公司的第二代用户可配置的通用32位RISC软核微处理器，是Altera公司特有的基于通用FPGA架构的CPU软核。NiosII系统是在。NiosII处理器基础上添加片上(FPGA)设备、存储器以及片外设备和存储器接口所组成的系统。Ni-osII具有明显的优势：

　　①NiosII处理器具有灵活的外设配置和地址映射。由于NiosII处理器和片上设备及接口具有软核特性，设计者可以为设计目标量身定做合适的 NiosII处理器系统，既可以增加CPU的功能，提高处理器的系统性能，也可以对不必要的处理器性能和外设进行剪裁，以满足低成本的小型系统设计。另外，访问存储器和外设的软件一般与地址分配无关。

　　②NiosII系统可以自动创建，Altera的SOPC Biulder设计工具使处理器的配置全自动完成，能自动产生并编程FPGA的硬件设计。系统的创建不需要设计者进行任何的底层原理图和硬件描述语言(HDL)设计。

　　③NiosII处理器系统可以定制指令，从而增强系统的性能。

　　正是基于这些优点，本设计最终选用NiosII处理器系统来完成颜色信号的处理和识别。如图4所示，NiosII处理器系统的片上系统包括NiosII CPU、片上RAM、定时器、ADC接口、Avalon总线、Avalon三态桥、PIO、JTAGUART等部分。另外，在片外扩展了Flash(用来存放程序和相应的数据)和SSRAM(相当于内存)。

　　具体器件的选择如表2所列。

　　⑤比较计算值与预存颜色值，即可实现对各种颜色的识别；比较计算值与不同时间值，即可实现对颜色变化的识别。

　　在使用过程中，总有某些时刻系统处于非探测工作期。但此时系统还处于工作状态，SOPC还会控制A／D转换器进行采样，而SOPC本身也会对转换后的数字信号进行处理，并产生有色差的警报。为了消除这种误报警，需控制放大器的放大倍数。相差几十nm的入射光经过放大后，其电信号的差值很大，经A／D转换后的数值会溢出或接近溢出。利用这一特性，设定一个上限值，如果数值比这个上限值大，则系统做出非探测工作期的判断，程序重新开始执行。

　　结 语

　　随着新技术、新材料的不断涌现，在现代化工业生产中，颜色识别系统的应用越来越多，也越来越复杂。以色敏传感器为探测器，使用内嵌NiosII软核处理器的FPGA作为运算、控制核心的颜色识别系统，具有结构简单、可靠性高、使用方便、扩展性强等优点。利用FPGA快速强大的处理功能，能够快速、准确地实现颜色的识别。利用现代信息融合技术，采用新型、高灵敏、响应快的色敏传感器，一定能使颜色识别更加精确、更加可靠。