三基色亮度計的設計和應用

摘要：本文利用新型顏色傳感器 TCS230具有的濾光選擇功能，借助 MCU設計出了一種能夠同時測量白光中所含的三基色（紅、綠、藍）亮度的便攜式亮度計。另外該亮度計還提供計算機通信接口以及數(shù)據(jù)接收軟件，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集和處理，并把處理后的數(shù)據(jù)數(shù)字化的顯示到 OLED屏上。該亮度計具有快速，精確，便捷的特點，可廣泛應用于各種需要對光色成分進行分析、測量的行業(yè)。

1引言

隨著 LED行業(yè)的快速發(fā)展，競爭的不斷加劇，LED品質(zhì)受到了前所未有的重視，尤其是在大屏幕顯示、LED照明光源等對顏色要求較高的場合，品質(zhì)控制的難度和重要性均顯得特別突出。因此，對 LED性能的測試和*估逐漸被提上日程。通常 LED的標準檢測儀器是光譜分析儀，它能夠分析 LED發(fā)出光的顏色和亮度，但它體積龐大，價格昂貴，少則幾萬多則幾十萬，并非一個小型企業(yè)所能負擔的。

現(xiàn)有的亮度計，都是通過電流的強弱來標定被測物的亮度大小。我國亮度計生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的光亮度計通常無顏色選擇功能，如果需要測量某種顏色的光（常指三基色紅、綠、藍）的光強，通常要在獨立的光電二極管上覆蓋經(jīng)過修正的紅、綠、藍濾光片，然后對輸出的模擬信號加一個 A/D電路進行采樣，再對該采樣信號進一步處理，才能進行識別，增加了電路的復雜性，并且存在較大的識別誤差，影響了識別的效果。在遇到同時需要對多種顏色光強進行測量的場合，工作量將會成倍的增加，其煩瑣性是顯而易見的，同時，也增大了測量結(jié)果的誤差。

為了克服傳統(tǒng)亮度計無法檢測被測光源所包含的單色光光強的缺點，本文設計了一種能夠同時測量白光中所含的三基色（紅、綠、藍）亮度的亮度計，用來分析測量光中的顏色成分和亮度，同時把檢測結(jié)果數(shù)字化的顯示到 OLED屏上。這樣在測量 LED大屏幕顯示器的時候只要把紅綠藍三種顏色的 LED發(fā)光二極管都點亮（即白色），就可直接分析出其中的顏色成分和亮度大小，并省去了大量的記錄工作。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與原理

三基色亮度計主要由五部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、MCU控制模塊、OLED顯示模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、鍵盤輸入模塊。系統(tǒng)的基本工作原理為：通過鍵盤選擇顏色并設定參數(shù)，控制單片機來向傳感器發(fā)送指令，當傳感器接收到光信號后，輸出頻率會隨之發(fā)生變化，單片機對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行適當?shù)呐袛唷⒂嬎愫吞幚?，然后?shù)字化的顯示到 OLED屏上。系統(tǒng)原理圖如圖 1所示。

2．1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)的采集用的是美國 TAOS公司生產(chǎn)的顏色傳感器TCS230，它是業(yè)界首款帶數(shù)字兼容接口的 RGB彩色光／頻率轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個電流／頻率轉(zhuǎn)換器。TCS230輸出為占空比50％的方波，且輸出頻率與光強成線性關(guān)系。該轉(zhuǎn)換器輸出頻率范圍為2—500kHz，且可通過 2個可編程引腳來選擇2％ 、20％ 、或100％的輸出比例因子。TCS230的輸入、輸出引腳可直接與微處理器或其他邏輯電路連接。

圖2是TCS230的引腳封裝和功能框圖，從功能框圖可知：當入射光投射到TCS230上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出的是占空比為50%的方波，不同顏色和光強的光所對應輸出的方波頻率也是不一樣的。還可以通過輸出定標控制引腳S0、S1選擇不同的輸出比例因子， 對輸出頻率范圍進行調(diào)整，以適應不同的需求。SO、S1及S2、S3的可用組合如圖3所示。

下面簡要介紹TCS230芯片各個引腳的功能及它的一些組合選項。S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當有多個芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時，也可以作為片選信號；OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓。

2．2 MCU控制模塊

MCU采用的是 Cygnal公司的單片機C8051F023。它是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)（SOC），具有與 MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器。 C8051F023具有高速、非侵入方式的在系統(tǒng)調(diào)試接口、8通道 ADC、帶 PGA和模擬多路開關(guān)、在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器、5個通用的 16位定時器、 5個可編程計數(shù)器 /定時器陣列等特性。該模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、傳輸以及鍵盤指令的響應，它的核心部分是單片機對傳感器的控制。C8051F023與 TCS230的連接，如圖 4所示。

將 TCS230的 S0以及 S1兩個引腳全部與電源相連，這樣連接將會使顏色傳感器輸出占空比50%，頻率值為100%的方波。這樣給最終調(diào)試時帶來了方便，在不同設計要求時只需要簡單的調(diào)節(jié)接線就可以實現(xiàn)不同的功能。TCS230的 S2和 S3這兩個引腳為光電二極管類型選擇的引腳，現(xiàn)與 C8051F023單片機的 P0.0 、P0.1相連。單片機就是通過這兩個引腳對傳感器進行選擇控制，而對傳感信號的接收則是通過 P0.4與 TCS230的 OUT引腳來連接實現(xiàn)的。TCS230的反應速度快，達到 10 μs，同時通過對S2、S3的控制來改變?yōu)V波器類型，可方便的選擇顏色，并且輸出可以為二路數(shù)字信號，具有較強的干擾能力。

2．3 OLED顯示模塊 采用的是 128×64行點陣的 OLED單色、字符、圖形顯示模塊VGS12864E。模塊內(nèi)藏64×64顯示數(shù)據(jù)RAM，其中每位數(shù)據(jù)對應于 OLED上一個點的亮、暗狀態(tài)；其接口電路和操作指令簡單，具有 8位并行數(shù)據(jù)接口，可直接與 8位微處理器相連。

2．4 數(shù)據(jù)通信模塊和健盤輸入模塊

用 MAX232來完成 TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)亮度計與計算機的數(shù)據(jù)交換。通過鍵盤輸入模塊，可以非常方便的改變對顏色的選擇。

3軟件設計

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。軟件采用C語言編程，主要完成對硬件的控制以及對采集數(shù)據(jù)再現(xiàn)等功能。單片機控制程序主要由4部分組成：數(shù)據(jù)采集、鍵盤響應、菜單顯示、數(shù)據(jù)通信。程序的開始首先要對單片機進行初始化，這是必要的步驟。單片機初始化程序包括關(guān)閉看門狗、時鐘初始化、端口初始化，交叉開關(guān)寄存器初始化，以及定時器和中斷等的初始化。初始化完成后，如需要顏色識別，就進行具體顏色選擇，保存設置，采集數(shù)據(jù)，完成顏色的識別。

系統(tǒng)設計時還應當注意一些問題。首先，在設計時，一定要考慮白平衡問題，所謂白平衡，就像是天平在使用前的調(diào)零一樣，也就是用戶所指定顏色的外界白光。因為要依此白光為基準進行調(diào)整。這里有兩種方法可以計算并調(diào)整參數(shù)。一是依次選通三種顏色的濾波器，然后對 TCS230的輸出脈沖依次進行計數(shù)。當計數(shù)到 255時停止計數(shù)，并分別計算每個通道所用的時間。這些時間就是對應于實際測試時 TCS230每種濾波器所采用的時間基準，在這段時間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所對應的R、G和B的值。二是設置定時器為一固定時間(例如10 ms)，然后選通三種顏色的濾波器，并計算這段時間內(nèi) TCS230的輸出脈沖數(shù)。這樣便可計算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。然后在實際測試時，使用同樣的時間進行計數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以該比例因子，這樣就可以得到所對應的R、G和 B的值。

4結(jié)束語

利用本文介紹的基于 TCS230設計出的三基色亮度計，只需一次測量即可完成對 LED顯示管的紅、綠、藍及白光的顏色和亮度的測量，大大提高了測量效率，同時還具有成本低，精度高，功能全等特點。因為不需要另外添加濾光片，這在對三基色光強要求較多的顯示領域，如 LED大屏幕顯示器的一致化校正，液晶顯示器測試等等有著廣闊的應用前景。本文創(chuàng)新點：傳統(tǒng)亮度計只能測量其感光器件所接收的光強，如不使用濾光設備，則無法檢測被測光源所包含的單色光光強。本文設計了一種能夠同時測量白光中所含的三基色（紅、綠、藍）亮度的亮度計，用來分析測量光中的顏色成分和亮度，同時把檢測結(jié)果數(shù)字化的顯示到 OLED屏上，具有成本低，精度高，功能全等特點。