颜色传感器TCS230在纠偏控制系统中的应用研究*

赵万剑，徐耀良，王 博，张少成

(上海电力学院电力系统及其自动化，上海 200090)

在现代化工业生产中，纠偏控制系统应用十分广泛，尤其在印刷行业。纠偏控制器主要解决跑偏问题，如果跑偏不加以纠正，就会影响产品质量，还会增加能源和原材料消耗。因此，自动纠偏技术所带来的巨大经济效益早已引起国内有关部门和单位的重视［1］。

目前，国内外的纠偏控制系统绝大多数使用光电传感器，这其中包括世界上发明生产第一台纠偏控制器的FIFE公司以及处于行业领先水平“E+L”公司和日本三桥公司［2－3］。但由于光电传感器受外界光干扰比较大，抗干扰能力差，在检测信号变化较小时，容易产生误差，适用的范围一直比较窄，尤其是对卷材按颜色的方式进行纠偏无能为力。传统使用光电传感器的纠偏控制器响应时间一般为20 ms，纠偏精度最高只能达到±0.1 mm。

本文将美国TAOS公司生产的一款性能卓越的颜色传感器 TCS230引入到纠偏控制器中［4－5］，并与C8051F330单片机相结合，构建采集系统的硬件平台。使用单片机普通I/O口对TCS230输出的数字信号分别进行脉冲和脉宽采集，比较两者优缺点，并利用MATLAB工具箱处理采集数据，选择一种更适合纠偏控制器使用的脉宽信号采集法，并对其采集到的数据进行中值数字滤波。经实验验证，系统响应时间和纠偏精度都得到不同程度的提高。同时，通过对TCS230颜色传感器RGB三种滤波片的设置，也可方便地对卷材按颜色方式进行纠偏［6－7］。

1 采集系统设计

采集系统是纠偏控制器的“眼睛”，整个采集系统以C8051F330单片机为核心，设计采集电路、控制电路等，并进行软件设计，得到满足纠偏控制器所需的采集系统［8－10］。

1.1 硬件电路设计

采集系统的硬件电路如图1所示［11］，TCS230的输入输出属于数字量，兼容标准的TTL和CMOS电路。根据这个特点，可直接将微处理器普通数字I/O口与其输出和控制输入引脚相连。为提高信号的抗干扰性，在信号线上加上拉电阻。

图1 采集系统电路

对于纠偏控制器而言，无论检边还是检线，采用两传感器的互补交错布置就可以满足设计要求。

1.2 两种信号采集方案的软件设计

TCS230颜色传感器主要是将外界图像转化为脉冲信号。好的采集方法能够在较短的时间范围内获得足够多的信息量来判断外界被测对象的位置，为控制赢得时间。

1.2.1 脉冲采集法

脉冲采集法是用定时器设置一个固定的时间(如3ms)，在这段时间内连续记录高电平脉冲或低电平脉冲的次数。此脉冲数可作为实际测量时该颜色下的信号强度，如图2所示。

图2 等时间脉冲采集原理

脉冲采集算法流程如图3所示［12］。

图3 脉冲采集算法流程

1.2.2 脉宽采集法

脉宽采集法是等脉冲采集法的特殊情况，即用定时器记录一次脉冲宽度，程序设计以脉冲高电平宽度作为脉宽测量值，脉宽采集原理如图4所示。

脉宽采集算法流程如图5所示。

图4 脉宽采集原理

图5 脉宽采集算法流程

2 数据采集及处理

2.1 数据采集

两种信号采集算法在同种工况下得到的原始数据如表1所示，其中输出频率为100%，选择无色滤波片。显然，在相同采集环境下，脉冲采集值越大，相对的脉宽采集值越小。

表1 数据采集值

由表1可知，在相同条件下，脉宽采集值拥有更多的信息量，对于黑白颜色的区分度更大。当采集环境过暗、传感器安装离被测物体较远或系统实时性要求较高时，脉宽采集法更具有一定的优越性。因此，综合考虑采集环境、传感器安装位置和纠偏控制精度等条件，纠偏控制系统的信号采集采用脉宽采集法。

在相同工况下，输出频率为100%，采用脉宽采集算法，不同滤波片下彩色采集值如表2所示。分析表2中数据得，若只使用无色滤波片则对相近的两种颜色区分度很小，不利于控制，影响纠偏控制效果。根据实际测量数据和经验，选择对彩色背景具有最大区分度的滤波片，即可实现纠偏控制系统对卷材按颜色方式进行纠偏，解决了使用光电传感器的一大弊端。

表2 不同滤波片下彩色采集值

2.2 数据处理

实际工业生产中，纠偏控制系统大都以黑白色作为基准色，因此，实验数据处理仅以卷材为黑白色且滤波片设置为无色滤波片进行分析。将采集到的数据经过MAX232电平转换后，通过串口送至上位机，利用串口调试助手实时显示采集数据。使用MATLAB工具箱对所采集到的数据进行绘图［13］，图6为传感器在检线1.2 mm黑线白底、误差率为6 mm/s、卷材运行速度为4 m/s且执行机构速度为24 mm/s下所采集到的数据，系统采集频率为200 Hz。从图6中可清晰的看到，大部分数据能正确显示外界变化趋势，而有部分数据产生无周期较大跳变，这是由于一次采集脉宽值的时间非常短，同时也与采集环境的微小变化有关。偏差数据对整个控制系统的稳定性和精度会产生非常严重的影响，因此必须选择合适的数字滤波算法来剔除错误的采样数据。

图6 脉宽采集原始数据

所谓数字滤波，就是计算机中使用某种计算方法对输入信号进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声，从而获得较为真实信号的过程。常用的数字滤波算法有:平均值滤波、中值滤波、限幅滤波和惯性滤波等。通过分析原始数据误差的特点，选用惯性滤波法、去极值平均滤波法和中值滤波法这三种滤波算法进行比较［14－16］。

惯性滤波是模拟硬件RC低通滤波器的数字实现，硬件RC滤波器的传递函数为:

其中，Tf=RC为滤波器的滤波时间常数，将式(1)改写成差分方程形式可得:

其中，a=T/(T+Tf)为截止频率，T为采样频率。当截止频率低时，滤波波纹较小，但输出滞后较大，对控制实时性不利；截止频率高时，输出滞后小，但滤波波纹较大亦对控制不利，因此根据实际测试经验选择a=0.3。

对于一组原始采样数据A=(X1，X2，…，XN)，去极值平均滤波算法表达式如式(3)所示:

中值滤波表达式如式(4)所示:

对于去极值平均滤波算法和中值滤波算法来说，确定一个合理的N值是至关重要的。通过大量的实验测试，考虑控制实时性和数据真实准确性，确定N=5。使用示波器实际观测得到一次采集脉宽的时间仅为 50 μs，五次采集时间也仅 250 μs，远远小于脉冲采集法所需要的时间。如此短的采集时间，大大降低了引起控制滞后现象的可能性。经这三种滤波算法处理后的数据曲线如图7所示。

图7 经数字滤波处理后的数据

从图7可以看出，使用惯性滤波算法的数据在低频段失真较为严重，当出现连续较大误差数据时，去极值平均滤波算法也带来了误差。而经中值滤波处理后，脉宽法所采集到的数据值基本没有不符实际的跳变误差。相对于其他一些会破坏数据真实性的滤波算法，中值滤波算法所得到的数据实时、有效，因此本文使用中值滤波算法。这种算法不仅可以很好的解决脉宽采集算法所带来的数据误差，还能够在尽量短的时间内完成数据处理工作，有利于纠偏控制器的实时控制。

3 实验

图8 实验平台

整个系统实验平台如图8所示，对TCS230颜色传感器输出信号进行脉宽采集，并对数据进行中值滤波，通过主控制器的控制，在误差率为6 mm/s、卷材运行速度为4 m/s且执行机构速度为24 mm/s的条件下，检线控制效果如图9所示。经实验测试，检边或检线的最高纠偏精度都能够达到±0.05 mm。

图9 控制效果对比

由于采集系统使用两个传感器，在波特率为19 200 Hz的条件下，向主控制器传输数据只需要1 ms，两个传感器的采集时间也仅为0.5 ms。考虑到一些控制命令，系统响应时间最快甚至可以达到2.5 ms，更短的系统响应时间可以提高纠偏精度。同时，作为一款性能卓越的颜色传感器，TCS230能够精确的对颜色进行识别和检测，通过实验测试，对RGB三种滤波片的选择，可实现对卷材按颜色方式进行纠偏。在控制算法上，可采用PD－模糊控制算法提高纠偏控制精度。

同时，通过在相同卷材对象和电机速度下对自行设计基于TCS230颜色传感器的纠偏控制系统与日本三桥LPC全自动纠偏系统PW－650(使用光电传感器)进行比较，纠偏控制对象无论是黑白色还是彩色，使用TCS230颜色传感器控制效果更好。

4 总结

本文在构建采集系统硬件平台基础上，分别实现了对TCS230颜色传感器输出信号的脉冲和脉宽采集，经过实际测试比较选用更加适合且能够满足纠偏控制器高精度要求的脉宽采集法。通过软件滤波解决脉宽采集法所引起的数据跳变问题，提高了控制效果。实验结果显示，检边和检线的最高纠偏精度都能够达到±0.05 mm。

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