顏色傳感器TCS230在糾偏控制系統中的應用研究*

趙萬劍，徐耀良，王 博，張少成

(上海電力學院電力系統及其自動化，上海 200090)

在現代化工業生產中，糾偏控制系統應用十分廣泛，尤其在印刷行業。糾偏控制器主要解決跑偏問題，如果跑偏不加以糾正，就會影響產品質量，還會增加能源和原材料消耗。因此，自動糾偏技術所帶來的巨大經濟效益早已引起國內有關部門和單位的重視［1］。

目前，國內外的糾偏控制系統絕大多數使用光電傳感器，這其中包括世界上發明生產第一臺糾偏控制器的FIFE公司以及處于行業領先水平“E+L”公司和日本三橋公司［2－3］。但由于光電傳感器受外界光干擾比較大，抗干擾能力差，在檢測信號變化較小時，容易產生誤差，適用的范圍一直比較窄，尤其是對卷材按顏色的方式進行糾偏無能為力。傳統使用光電傳感器的糾偏控制器響應時間一般為20 ms，糾偏精度最高只能達到±0.1 mm。

本文將美國TAOS公司生產的一款性能卓越的顏色傳感器 TCS230引入到糾偏控制器中［4－5］，并與C8051F330單片機相結合，構建采集系統的硬件平臺。使用單片機普通I/O口對TCS230輸出的數字信號分別進行脈沖和脈寬采集，比較兩者優缺點，并利用MATLAB工具箱處理采集數據，選擇一種更適合糾偏控制器使用的脈寬信號采集法，并對其采集到的數據進行中值數字濾波。經實驗驗證，系統響應時間和糾偏精度都得到不同程度的提高。同時，通過對TCS230顏色傳感器RGB三種濾波片的設置，也可方便地對卷材按顏色方式進行糾偏［6－7］。

1 采集系統設計

采集系統是糾偏控制器的“眼睛”，整個采集系統以C8051F330單片機為核心，設計采集電路、控制電路等，并進行軟件設計，得到滿足糾偏控制器所需的采集系統［8－10］。

1.1 硬件電路設計

采集系統的硬件電路如圖1所示［11］，TCS230的輸入輸出屬于數字量，兼容標準的TTL和CMOS電路。根據這個特點，可直接將微處理器普通數字I/O口與其輸出和控制輸入引腳相連。為提高信號的抗干擾性，在信號線上加上拉電阻。

圖1 采集系統電路

對于糾偏控制器而言，無論檢邊還是檢線，采用兩傳感器的互補交錯布置就可以滿足設計要求。

1.2 兩種信號采集方案的軟件設計

TCS230顏色傳感器主要是將外界圖像轉化為脈沖信號。好的采集方法能夠在較短的時間范圍內獲得足夠多的信息量來判斷外界被測對象的位置，為控制贏得時間。

1.2.1 脈沖采集法

脈沖采集法是用定時器設置一個固定的時間(如3ms)，在這段時間內連續記錄高電平脈沖或低電平脈沖的次數。此脈沖數可作為實際測量時該顏色下的信號強度，如圖2所示。

圖2 等時間脈沖采集原理

脈沖采集算法流程如圖3所示［12］。

圖3 脈沖采集算法流程

1.2.2 脈寬采集法

脈寬采集法是等脈沖采集法的特殊情況，即用定時器記錄一次脈沖寬度，程序設計以脈沖高電平寬度作為脈寬測量值，脈寬采集原理如圖4所示。

脈寬采集算法流程如圖5所示。

圖4 脈寬采集原理

圖5 脈寬采集算法流程

2 數據采集及處理

2.1 數據采集

兩種信號采集算法在同種工況下得到的原始數據如表1所示，其中輸出頻率為100%，選擇無色濾波片。顯然，在相同采集環境下，脈沖采集值越大，相對的脈寬采集值越小。

表1 數據采集值

由表1可知，在相同條件下，脈寬采集值擁有更多的信息量，對于黑白顏色的區分度更大。當采集環境過暗、傳感器安裝離被測物體較遠或系統實時性要求較高時，脈寬采集法更具有一定的優越性。因此，綜合考慮采集環境、傳感器安裝位置和糾偏控制精度等條件，糾偏控制系統的信號采集采用脈寬采集法。

在相同工況下，輸出頻率為100%，采用脈寬采集算法，不同濾波片下彩色采集值如表2所示。分析表2中數據得，若只使用無色濾波片則對相近的兩種顏色區分度很小，不利于控制，影響糾偏控制效果。根據實際測量數據和經驗，選擇對彩色背景具有最大區分度的濾波片，即可實現糾偏控制系統對卷材按顏色方式進行糾偏，解決了使用光電傳感器的一大弊端。

表2 不同濾波片下彩色采集值

2.2 數據處理

實際工業生產中，糾偏控制系統大都以黑白色作為基準色，因此，實驗數據處理僅以卷材為黑白色且濾波片設置為無色濾波片進行分析。將采集到的數據經過MAX232電平轉換后，通過串口送至上位機，利用串口調試助手實時顯示采集數據。使用MATLAB工具箱對所采集到的數據進行繪圖［13］，圖6為傳感器在檢線1.2 mm黑線白底、誤差率為6 mm/s、卷材運行速度為4 m/s且執行機構速度為24 mm/s下所采集到的數據，系統采集頻率為200 Hz。從圖6中可清晰的看到，大部分數據能正確顯示外界變化趨勢，而有部分數據產生無周期較大跳變，這是由于一次采集脈寬值的時間非常短，同時也與采集環境的微小變化有關。偏差數據對整個控制系統的穩定性和精度會產生非常嚴重的影響，因此必須選擇合適的數字濾波算法來剔除錯誤的采樣數據。

圖6 脈寬采集原始數據

所謂數字濾波，就是計算機中使用某種計算方法對輸入信號進行數字處理，以削弱或濾除干擾噪聲，從而獲得較為真實信號的過程。常用的數字濾波算法有:平均值濾波、中值濾波、限幅濾波和慣性濾波等。通過分析原始數據誤差的特點，選用慣性濾波法、去極值平均濾波法和中值濾波法這三種濾波算法進行比較［14－16］。

慣性濾波是模擬硬件RC低通濾波器的數字實現，硬件RC濾波器的傳遞函數為:

其中，Tf=RC為濾波器的濾波時間常數，將式(1)改寫成差分方程形式可得:

其中，a=T/(T+Tf)為截止頻率，T為采樣頻率。當截止頻率低時，濾波波紋較小，但輸出滯后較大，對控制實時性不利；截止頻率高時，輸出滯后小，但濾波波紋較大亦對控制不利，因此根據實際測試經驗選擇a=0.3。

對于一組原始采樣數據A=(X1，X2，…，XN)，去極值平均濾波算法表達式如式(3)所示:

中值濾波表達式如式(4)所示:

對于去極值平均濾波算法和中值濾波算法來說，確定一個合理的N值是至關重要的。通過大量的實驗測試，考慮控制實時性和數據真實準確性，確定N=5。使用示波器實際觀測得到一次采集脈寬的時間僅為 50 μs，五次采集時間也僅 250 μs，遠遠小于脈沖采集法所需要的時間。如此短的采集時間，大大降低了引起控制滯后現象的可能性。經這三種濾波算法處理后的數據曲線如圖7所示。

圖7 經數字濾波處理后的數據

從圖7可以看出，使用慣性濾波算法的數據在低頻段失真較為嚴重，當出現連續較大誤差數據時，去極值平均濾波算法也帶來了誤差。而經中值濾波處理后，脈寬法所采集到的數據值基本沒有不符實際的跳變誤差。相對于其他一些會破壞數據真實性的濾波算法，中值濾波算法所得到的數據實時、有效，因此本文使用中值濾波算法。這種算法不僅可以很好的解決脈寬采集算法所帶來的數據誤差，還能夠在盡量短的時間內完成數據處理工作，有利于糾偏控制器的實時控制。

3 實驗

圖8 實驗平臺

整個系統實驗平臺如圖8所示，對TCS230顏色傳感器輸出信號進行脈寬采集，并對數據進行中值濾波，通過主控制器的控制，在誤差率為6 mm/s、卷材運行速度為4 m/s且執行機構速度為24 mm/s的條件下，檢線控制效果如圖9所示。經實驗測試，檢邊或檢線的最高糾偏精度都能夠達到±0.05 mm。

圖9 控制效果對比

由于采集系統使用兩個傳感器，在波特率為19 200 Hz的條件下，向主控制器傳輸數據只需要1 ms，兩個傳感器的采集時間也僅為0.5 ms。考慮到一些控制命令，系統響應時間最快甚至可以達到2.5 ms，更短的系統響應時間可以提高糾偏精度。同時，作為一款性能卓越的顏色傳感器，TCS230能夠精確的對顏色進行識別和檢測，通過實驗測試，對RGB三種濾波片的選擇，可實現對卷材按顏色方式進行糾偏。在控制算法上，可采用PD－模糊控制算法提高糾偏控制精度。

同時，通過在相同卷材對象和電機速度下對自行設計基于TCS230顏色傳感器的糾偏控制系統與日本三橋LPC全自動糾偏系統PW－650(使用光電傳感器)進行比較，糾偏控制對象無論是黑白色還是彩色，使用TCS230顏色傳感器控制效果更好。

4 總結

本文在構建采集系統硬件平臺基礎上，分別實現了對TCS230顏色傳感器輸出信號的脈沖和脈寬采集，經過實際測試比較選用更加適合且能夠滿足糾偏控制器高精度要求的脈寬采集法。通過軟件濾波解決脈寬采集法所引起的數據跳變問題，提高了控制效果。實驗結果顯示，檢邊和檢線的最高糾偏精度都能夠達到±0.05 mm。

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