在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，顏色識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成為了一個(gè)非常重要的技術(shù)。顏色識(shí)別可以用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、物料分類、機(jī)器視覺等領(lǐng)域。本文將介紹如何使用FPGA結(jié)合ZC-CLS381RGB進(jìn)行顏色識(shí)別。

本教程通過對(duì)采集到的圖像信息中，R、G、B三個(gè)顏色分量的占比，來判斷識(shí)別到的顏色信息。本教程只實(shí)現(xiàn)對(duì)紅色、綠色、藍(lán)色的識(shí)別，如果各位讀者要想實(shí)現(xiàn)對(duì)其它色彩信息的識(shí)別，可根據(jù)三個(gè)色彩分量的占比來判斷。

ZC-CLS381RGB簡(jiǎn)介

ZC-CLS381RGB是一款基于RGB三基色原理的顏色識(shí)別傳感器。它可以通過對(duì)物體反射光的RGB三基色分量進(jìn)行測(cè)量，來判斷物體的顏色。該傳感器具有高精度、快速響應(yīng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)器人、智能家居等領(lǐng)域。

配置寄存器組

ZC-CLS381RGB是一款RGB LED驅(qū)動(dòng)器芯片，需要通過配置寄存器來讓該模塊正常工作。下面就對(duì)顏色識(shí)別需要配置的寄存器進(jìn)行介紹。

主控寄存器

01

MAIN_CTRL Register是主控寄存器，下圖是主控寄存器的配置介紹：

? bit7~bit5，bit3，bit0：保留位（Reserved），使用時(shí)將這幾位置0即可。

? bit4：軟件復(fù)位位（SW Reset），當(dāng)該位被置1時(shí)，芯片會(huì)進(jìn)行軟件復(fù)位，即將所有寄存器的值恢復(fù)為默認(rèn)值。在使用ZC-CLS381RGB時(shí)，如果出現(xiàn)異常情況，例如芯片無法正常工作或者輸出異常，可以通過將SW Reset位置1來進(jìn)行軟件復(fù)位，以恢復(fù)芯片的正常工作狀態(tài)。同時(shí)，在初始化芯片時(shí)，也可以通過將SW Reset位置1來確保芯片的寄存器值處于默認(rèn)狀態(tài)，以避免出現(xiàn)不可預(yù)期的問題。但是如果軟件復(fù)位位一直為高電平，模塊就無法正常采集顏色，一直處于復(fù)位狀態(tài)，如果要關(guān)閉該位則還需要發(fā)送一次指令。因此在本設(shè)計(jì)初始化時(shí)，將該位置為0，不啟用軟件復(fù)位。

? bit2：顏色傳感器模式位（CS Mode），該位置為1時(shí)，表示所有的光傳感器通道都被激活，包括RGB（三原色）、IR（紅外光）和COMP（環(huán)境光）。這意味著該傳感器可以同時(shí)測(cè)量紅、綠、藍(lán)三種顏色的光線強(qiáng)度、紅外線的強(qiáng)度以及環(huán)境光的強(qiáng)度，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊拇嫫髦羞M(jìn)行處理。初始化配置時(shí)，需將該位置為1。

? bit1：環(huán)境光傳感器/顏色傳感器使能位（ALS/CS Enable），當(dāng)該位置1時(shí)，表示使能環(huán)境光傳感器和顏色傳感器。在本設(shè)計(jì)中，需要使用到這兩個(gè)傳感器，因此在初始化時(shí)需要將該位置為1。

檢測(cè)速率寄存器

02

ALS_CS_MEAS_RATE Register是環(huán)境光傳感器和顏色傳感器檢測(cè)速率寄存器，下圖是對(duì)該寄存器的配置介紹：

?bit7、bit3：保留位（Reserved），使用時(shí)這兩位需要置0。

? bit6，bit5，bit4：環(huán)境光傳感器和顏色傳感器速率位（ALS/CS Resolution），初始化時(shí)設(shè)置{bit6,bit5,bit4}=100，利用最快的時(shí)間對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

?bit2，bit1，bit0：環(huán)境光傳感器和顏色傳感器測(cè)量速率位（ALS/CS Measurement Rate），初始化設(shè)置{bit2,bit1,bit0}=000，利用最快的采集速率采集數(shù)據(jù)。

增益寄存器

03

ALS_CS_MEAS_RATE Register是環(huán)境光傳感器和顏色傳感器增益寄存器，下圖是對(duì)該寄存器的配置介紹：

?bit7~bit3：保留位（Reserved），使用時(shí)這兩位需要置0。

? bit2~bit0：環(huán)境光傳感器和顏色傳感器增益率位（Reserved），初始化時(shí)設(shè)置{bit2,bit1,bit0}=100，將增益率調(diào)到最大，以此增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度，使得信號(hào)更容易被檢測(cè)到。

線上交流會(huì)

04

因?yàn)楸窘坛滩杉氖羌t色、綠色、藍(lán)色數(shù)據(jù)，芯片手冊(cè)提供的寄存器組如下圖所示：

0x0D、0x0E、0x0F分別表示綠色信息的低8位、中8位、高8位數(shù)據(jù)；0x10、0x11、0x12分別表示紅色信息的低8位、中8位、高8位數(shù)據(jù)；0x13、0x14、0x15分別表示藍(lán)色信息的低8位、中8位、高8位數(shù)據(jù)。在使用中，直接讀取這些寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后拼接起來，即可得到紅、綠、藍(lán)色數(shù)據(jù)，再根據(jù)三個(gè)數(shù)據(jù)的占比，從而對(duì)采集到的物體顏色進(jìn)行判斷。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和信號(hào)波形圖繪制

在正式開始使用器件時(shí)，需要等待一段時(shí)間讓器件穩(wěn)定下來，如圖所示：

待機(jī)喚醒時(shí)間最大為10ms，表示在測(cè)量的時(shí)候，兩次獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔最大為10ms。由于在數(shù)據(jù)手冊(cè)內(nèi)，未說明上電后直到模塊穩(wěn)定需要等待的時(shí)間，在這里我們?nèi)藶樵O(shè)置上電等待的時(shí)間為20ms，給模塊一個(gè)緩沖的時(shí)間，然后再對(duì)它進(jìn)行配置。配置寄存器組信號(hào)波形圖如下圖所示：

其中，i2c_start作為i2c控制模塊的開始信號(hào)，檢測(cè)到該開始信號(hào)后，就開始配置寄存器，向各個(gè)寄存器內(nèi)寫入數(shù)據(jù)。綜上繪制的i2c控制模塊配置寄存器組的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖所示：

為了設(shè)計(jì)方便，對(duì)于50MHZ的系統(tǒng)時(shí)鐘，將其分頻為1MHZ的i2c驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘用來驅(qū)動(dòng)后續(xù)模塊，同時(shí)令一個(gè)SCL時(shí)鐘周期為4us，高電平持續(xù)時(shí)間為2us，低電平持續(xù)時(shí)間也為2us。這樣設(shè)計(jì)的好處是，滿足SCL高電平持續(xù)時(shí)間大于0.6us，SCL低電平持續(xù)時(shí)間大于1.3us。如下圖所示：

綜上，繪制的分頻信號(hào)波形圖如下圖所示：

結(jié)合狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，繪制的配置寄存器信號(hào)波形圖如下圖所示：

需要注意的是，配置寄存器組跳轉(zhuǎn)條件為skip_en_0，這里配置的寄存器是向寄存器里面寫入數(shù)據(jù)，總共需要配置三個(gè)，三個(gè)寄存器配置完成后，才能讀出顏色數(shù)據(jù)。因此，step從0自增到1，必須要在cfg_num為3并且檢測(cè)到結(jié)束信號(hào)的情況下進(jìn)行。

審核編輯：劉清