（信号与信息处理专业论文）指针式仪表的自动检定系统实现.pdf

摘餮 攘要 本课题主娑针对指针戏仪表豹自动检定进行了研究。指针式仪表在当前的工 遂捡溅孛占援饕重要翁堍蹙。瑰在，对很多浸喜诗簿橇擦箨雾嚣煞指等式搜裘於 梭定通常都疑由人工来读数和调节，然而，人的眼睛在大量的视谶工作之后会出 现视觉疲劳，造成了检定精度低，检定周期长。 本文礤究黪撵舞式致表静塞动捡囊方法是基于数字鬻像憝理技零、壤密炎褥 测量技术强及步遵电视控谁技术的，将数字蚕像处瑷技零餍予指静式仅表酌梭定， 具有精度高、效率高、易于实现自动测摄等优点；搦外，将精磷光栅测量技术用 柬测微位移，霄利于提高系缝的分辨攀；还有，通过步进电枫控制卡来实现在计 簿辊上对多避魄裁嚣控割，援高了系统的岛葫馥程麓。 步进电机控制卡的设计采甩了d s p 技术和高速p c i 总线技术。与传统的粥片 机控制电机披术相比，采用d s p 来控制电机，能够熙快地实现电机的运动控制辣 法；在镶多撂铃式致表捡定嵌孛，诗冀规都是逶过宰露来控截电梗浆，当诗冀辘 霈簧更快趣辩寇枫遘聿亍控制时，串墨静遴信速度必然是一个阊舔。西j 耄本卡采臻 了高速p c i 睬线来和计弊机进行通信，提高了电机的控制速度，从而提高了榆滗 的实对蛙。 本系凌通过诗冀蔽燕裁步遘毫辊燕露专寒绘蹬步避宅糕囊动嚣蒿要的球冲穗 母和方向信号，进而带动电机驱动仪裘指针转动，计算机通过串口实时采集光槠 测量系统的徽位移信号，并且通过高精度c c d 摄像机实时获取表擞图像数据，劂 瓣透过嚣葵撬簌释实褒表蠡罄德整理，毪疆预整理、获度诧、二蕴纯、锺鼗襄h o u g h 变换等，最终快速识裁出裘盘指针鹤稼凝，并穰据戮家表类捡寇靛程所制定瓣算 法检定出指针式仪表的各种精度。本系统所采用的图像处理算法遄度较快，大大 疆高了系统的实时蛙， 奉检意系统簿控懿完全在w i n d o w s 平台下完或，失穰交互器露友好，爨佟麓 单。 采用图像处理技术和步进电机伺服控制技术进行指针式仪表的精度检定可以 大大疆蹇劳动效率，藏少入为匿紊于拣，霞捡定过疆燹麓叁霸诧，硷定结暴更准 确，医此其穰广泛的市场前景。 摘要 关键词：指针式仪表，数字图像处理，步进电机控制卡，d s p ，p c i i i a b s t r a c t 加s t 队c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，r e s e a r c h sa r ed o n ef o ra u t o d e t e c t i n go ft h eg a u g ew i t hp o i n t e r w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r i a ld e t e c t i n ga tp r e s e n t b u t u s u a l l y , d e t e c t i n g o ft h eg a u g ew i t hp o i n t e ri sb ym a n u a lw o r k , a f t e rl o n gt i m ef o rv i s i o nw o r k ，e y e sw i l l g e tt i r e d ，a n dt h i sl e a d st ol o wd e t e c t i n gp r e c i s i o na n dl o n gd e t e c t i n gp e r i o d a na u t o - d e t e c t i n gm e t h o do ft h eg a u g e 谢mp o i n t e rt h a ti sb a s e do nd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，h i 曲p r e c i s i o ng r a t i n gt e c h n i q u ea n ds t e pm o t o rc o n t r o lt e c h n i q u e i sp r e s e n t e d t h e r ea r ea d v a n t a g e so f h i g hp r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c ya n da u t o d e t e c t i n g f o ra p p l yd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u et od e t e c tp r e c i s i o no ft h eg a u g ew i t h p o i n t e r ；m o r e o v e r , i t sh e l p f u lt oi m p r o v es y s t e m sr e s o l u t i o nw h e nh i g hp r e c i s i o n 乒a t i n gt e c h n i q u ei sa p p l i e dt om e a s u r em i c r od i s p l a c e m e n t ；a l s oi tm a k e ss y s t e mm o r e a u t o m a t i ct oc o n t r o ls t e pm o t o ri nc o m p u t e rv i as t e pm o t o rc o n t r o lc a r d t h ed e s i g no fs t e pm o t o rc o n t r o lc a r di sb a s e do nd s pt e c h n i q u ea n dp c ib u s t e c h n i q u e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt e c h n i q u eo fs t e pm o t o rc o n t r o lb a s e do nm c u ， w ec a ni m p l e m e n tm o v e m e n tc o n t r o la l g o r i t h mq u i c k l yw i t hd s p t e c h n i q u e i nm a n y d e t e c t i n gi n s t r u m e n t so ft h eg a u g ew i t hp o i n t e r , c o m p u t e rc o n t r o l sm o t o rv i ar s 2 3 2 s e r i a lp o r t ，w h i c hi sap r o b l e mi fw en e e dc o n t r o lm o t o rm o r eq u i k l y t h i sc a r dw h i c h r e a l i z e sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c o m p u t e ra n dd s p w i t hh i g h s p e e dp c ib u st e c h n i q u e i m p r o v e sc o n t r o ls p e e do f m o t o r , s oa st oi m p r o v et h er e a l - t i m eq u a l i t yo f s y s t e m t h i ss y s t e mp r o v i d e sp u l s es i g n a la n dd i r e c t i o ns i g n a lt os t e pm o t o rd r i v e rb y c o m p u t e r sc o n t r o l l i n gs t e pm o t o rc o n t r o lc a r d ，a n dm a k e sm o t o ra n dg u a g e sp o i n t e r r o t a t e c o m p u t e rg e t st h em i c r od i s p l a c e m e n tm e a s u r e db yg r a t i n gm e a s u r i n gs y s t e m v i ar s 2 3 2s e r i a lp o r t ，a n da c q u i r e sg u a g e si m a g eb yh i g hp r e c i s o nc c d c a m e r a ，t h e n p r o c e s s e s t h e g u a g e si m a g eb ys o f t w a r e ，i n c l u d i n gp r e p r o c e s s i n g ，g r a y i n g ， b i n a r i z a t i o n ，t h i n n i n ga n dh o u g ht r a n s f o r m ，s oa st or e c o g n i z et h ep o s i t i o no fg u a g e s p o i n t e r , f i n a l l yc a l c u l a t e sa l lk i n d so fp r e c i s i o no nb a s i so fa l g o r i t h me s t a b l i s h e db y n a t i o n a ld e t e c t i n gr u l e so fg a u g e s t h es p e e do fa l g o r i t h mo fi m a g ep r o c e s s i n g a d o p t e di nt h i ss y s t e mi sf a s t ，w h i c hi m p r o v e ss y s t e m sr e a l t i m eq u a l i t y , c o n t r o lo fs y s t e mi s c o m p l e t e l yo p e r a t e di nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w s t h e l l i 些翌堡垒里 p e r s o n c o m p u t e ra l t e r n a t i o ni n t e r f a c ei sf r i e n d l y , a n do p e r a t i o ni se a s y a b o v ea l l ，i tc a ni m p r o v ew o r ke f f i d e n c yt od e t e c tp r e c i s i o no ft h eg a u g ew i t h p o i n t e rb yd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n ds t e pm o t o rc o n t r o l ，w h i c ha l s oc a ne l i m i n a t et h e a r t i f i c i a li n t e r f e r e n c e ，m a k ep r o c e s so f d e t e c t i n gm o r ea u t o m a t i ca n dr e s u ro fd e t e c t i n g m o r ea c c u r a t e ，s oi tw o u l dh a v eab r o a dm a r k e tp r o s p e c t k e yw o r d s ：g a u g ew i t hp o m t e r , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g , s t e pm o t o rc o n t r o lc a r d ，d s p , p c i 独刽性声嚼 本人声襄新呈交舱学位论文怒本人在鼯师指导下进行的研究工 作及取得的研究成莱。据我所知，除了文中特另物群蔽标注和致谢靛地 方外，论文中不包禽其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不钮禽 秀获褥电予科技大学躐其它教育极梅盼学位或证书两侵籍过静材料。 与我一间工作的同惑对本研究所做的任何殿献均已在论文中作了明 磷酶说横势表示落意。 签名；复碧基熬 2 0 e 每净冀b 瑟 关于论文使耀授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大掌有关保留、使用学位论文 鲢趣定，宥毅保蜜势离警家有关部门羲援捣送交论文豹复印谗釉磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电予科技大学可以将学位论文 的全部戏部分内容编入有关数据摩进行检索，可以采用影印、缩印戡 扫描等菠铺手段保存、汇编学饺论文。 ( 保密的学位论文在解密腊应遵守此规定) 签名：一 导师签蕊： 基矮：淞嗡年月，嚣 第一章引言 第一章引言 1 1 指针式仪表的自动检定研究的目的及意义 指针式仪表是工业领域中应用非常普遍的测量仪表之一，尽管有了一些数字 仪表，但指针式仪表现阶段大量存在，不仅种类多，而且数量大。如压力表、百 分表、电压表、汽车仪表等等。这些仪表在使用过程中由于会产生误差，需要进 行定期检验，以判断是否满足准确度要求。目前，国内对这类仪表的检测工作主 要是采用人工观测读数的方法，来判断产品的合格与否，这种判别方法受人的主 观因素如人的观测角度、观测距离等影响，不稳定、可靠性不高。而且数据处理 工作量大，检定效率低。 因此，针对目前我国所普遍采用的指针式仪表检定方法所存在的缺点，研究 一种快速、准确、稳定的指针式仪表自动检定系统，将非常有助于我国的仪表生 产和检定。 本课题的研究是在采用光栅测量技术、步进电机伺服控制技术和数字图像处 理技术的基础上，为指针式仪表提供一种自动化程度更高、速度更快、更准确、 更可靠的检定方法。本系统能自动完成仪表的示值误差的检定，且准确度高、分 辨能力强、回程误差小、操作简便、检定效率高，而且可以用于检定各种类型的 百分表、千分表等，有较高的通用性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外发展现状 国外对于指针式仪表的检定系统研究比较早，例如，德国马尔( m a h r ) 公司 的8 7 5 系列全自动指针式仪表检定仪，采用了c c d 摄像机来摄取仪表表盘图像， 运用图像处理方法来确定仪表指针的位置等参数，并进行分析与评定，它们能够 实现快速、可靠、准确的检定，但其价格昂贵，维修困难，很难被国内的广大用 户所接受，因此有必要开发出具有自主知识产权、精度高并且符合我国广大用户 价位的产品。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 国内发展现状 目前，我国生产指针式仪表检定仪的单位主要有三家。郑州三同量仪有限公 司的g z j 系列、深圳市精测科技有限公司的$ j 2 0 0 0 和s j 3 0 0 0 系列、北京德上科 技有限公司的d s 系列。其原理、性能、价格基本相同。由于这些仪器准确度高， 分辨能力强，回程误差小，操作简便，检定效率高，可用于检定国家规程规定的 各种类型的百分表、千分表，从而得到我国广大工矿企事业单位计量室的青睐。 其中，郑州三同量仪有限公司的大量程( 0 - 5 0 m m ) 仪表检定仪( g z j 系列) 的问世， 填补了我国大量程指针式仪表检定仪的空白。目前，国内使用的国产指针式仪表 检定仪，据不完全统计，约有一千多台。但是这些检定仪都是利用计算机的串口 进行光栅测量信号的采集和电机的控制，这在一定程度上影响了检定仪的检定速 度，所以有必要开发一种利用计算机的高速总线来进行上述信号传输的检定系统。 而且目前我国还有很多地方仍然采用光电法对指针式仪表进行自动检定。光 电法是根据指针通过被检测表盘的受检点时该点的反射光强度的变化，利用光电 效应来产生触发信号，从而获得指针在某一瞬间的位置，经比较计算得到仪表的 指示精度。该法实时性较好，但由于反射光强度受表盘的反射系数的影响较大， 表盘不同，其反射系数亦有差异，故稳定性不佳。由于指针式仪表检定、校准在 我国机械行业、精密仪器行业等都得到了广泛应用，因此开展这方面研究，紧跟 国外先进技术，势在必行。 本检定系统采用精密光栅和c c d 摄像机等电子仪器能自动完成指针式仪表示 值误差的检定，同时采用步进电机控制技术避免了手动进给仪表位移量，提高了 检定的自动化程度，最后采用数字识别与处理技术避免了人工读数所造成的误差， 提高了检定精度。 1 3 主要研究内容 本课题研究的主要内容包括： 1 、系统的工作原理及总体结构设计 2 、步进电机控制卡的设计 3 、表盘图像的采集和处理 4 、实验数据和误差分析 5 、总结与展望 第一章引言 在后面的几章里将分别介绍这几方面的内容。 其中，步进电机控制卡的设计和指针式仪表表盘图像处理技术是实现本系统 功能的关键技术。本系统的伺服驱动系统是由步进电机控制卡、步进电机及驱动 器组成，伺服驱动系统完成对指针式仪表位移量的进给。并且根据国家指示表类 检定规程【1 1 【2 j j g 3 4 9 6 1 ”，要求仪表指针匀速转动。因此，实现对指针式仪表测杆 微量匀速进给是保证本系统检定精度的一个重要条件，这由步进电机控制卡来实 现。 步进电机控制卡作为计算机与电机驱动器的接口，在智能化伺服控制中起着 重要的作用，它可以使用户直接通过计算机对步进电机的运动进行控制。市场上 有很多类型的运动控制卡，但是价格比较昂贵，针对本系统的特殊应用( 主要是 控制电机做匀速运动) ，我们自己开发了该卡。为了提高伺服控制的速度，我们采 用了d s p 技术来实现步进电机的运动控制算法，并且采用了高速p c i 总线接口技 术来实现该卡与计算机之间的通信。对步进电机控制卡的设计将会涉及到以下主 要内容。 ( 1 ) 方案确定及总体设计； ( 2 ) 硬件设计； ( 3 ) d s p 与p c 机之间的通信软件设计； ( 4 ) 电机的运动控制d s p 软件设计； ( 5 ) 步进电机控制卡的驱动程序和应用程序设计； 另一个重要的技术是表盘图像的处理与识别技术。本系统中采用v i s u a lc + + 在计算机中通过软件实现。对指针式仪表表盘图像处理的相关算法主要包括以下 几个方面的内容。 ( 1 ) 图像减法：对同一表盘取两幅不同示值的图像相减，由于表盘图像中只有 指针是运动的，因此非指针处灰度值为零，从而提取出了主要的指针信息。 ( 2 ) 灰度化和二值化：由于我们感兴趣的只是指针图像的直线特征，而色彩对 我们不起作用，反而会增加运算量，所以有必要对彩色图像进行灰度化和二值化。 二值化是进行细化和指针识别的前提。 ( 3 ) 细化：这是进一步提取指针信息的图像处理操作。经过细化后可以得到大 致的指针图像的中轴线。 ( 4 ) 指针识别：本系统采用h o u g h 变换来提取指针的回转中心和夹角。对于细 化后的图像，由于已经得到了大致的指针中轴线，经过h o u 【g h 变换便可以得到指 针中轴线的直线方程，从而得到指针的示值。 电子科技大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章首先介绍了指针式仪表的自动检定的研究意义，然后分析了国内外指针 式仪表检定仪的研究现状，特别是分析了目前我国普遍采用的指针式仪表检定方 法所存在的缺点，提出了指针式仪表的自动检定研究的必要性，进而阐述了本课 题所主要研究的内容。 4 第二章系统工作原理及总体结构设计 第二章系统工作原理及总体结构设计 2 1 系统工作原理 本文是对指针式仪表的自动检定技术进行研究，完成对仪表的各种精度的检 定。在系统的设计过程中，要着重的注意以下几点： 1 系统的自动化程度，这直接决定系统的检定工作效率。 2 尽量减少系统误差，因为百分表、千分表等指针式仪表本身为精密测量仪 器，要使系统能够检定仪表的精度，那么系统应该有更高的精度。 考虑到这两点，本系统先是采用步进电机伺服控制技术来驱动仪表指针转动， 然后利用c c d 摄像机对指针进行“观察”和“读数”，实现了系统的自动化；同时 采用光栅传感器作为精密测量设备来降低系统误差。下面先简单介绍一下伺服控 制技术和利用光栅传感器进行位移测量的基本原理。 2 1 1 伺服控制技术 在伺服控制中，一般是采用c p u 来控制步进电机。本系统采用自己开发的步 进电机控制卡在计算机上对步进电机进行控制，伺服控制系统结构图如图2 - 1 。控 制过程中，由计算机控制步进电动机的距离、速度和方向，通过步进电机控制卡 将计算机的命令转化为脉冲控制信号p u 和方向控制信号d r 发送给步进电机驱动 器以控制步进电机。 图2 - 1 伺服系统结构示意图 步进电机驱动器是由环形分配器、控制逻辑及正反控制门组成，其基本框图 见图2 2 ，环形分配器接受输入的控制脉冲信号p u 和方向信号d r ，并将其转变为 功率驱动器中功率三极管的基极驱动信号，功率驱动器则给电动机各相绕组供电， 从而带动电机。 电子科技大学硕士学位论文 步进电机驱动器 一主一一一 图2 - 2 步进电动机驱动器结构框图 步进电动机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转变为角位移，即给 一个脉冲信号p u ，步进电动机就转动一个角度。转动方向由方向控制信号d r 决定。 2 1 2 光栅测长原理 光栅测长就是把直线位移变成电信号，经前置放大、鉴相、整形、细分 4 1 将脉 冲信号进行记数、显示和打印，并利用单片机进行数据处理，如图2 3 所示。 图2 - 3 光栅测量原理框图 光栅测长的原理是将光源发出的光， 面相对的透射式标尺光栅和指示光栅上， 通过望远系统变为平行光，照射到栅线 当标尺光栅相对固定的指示光栅沿栅线 垂直方向移动时，则所产生的明暗相间的莫尔条纹沿栅线方向移动。两块光栅尺 相对移动一个栅距，莫尔条纹的光强周期地变化一次，并扫过安放在指示光栅前 的四只光电元件，从而产生两路正弦电信号，经电路系统处理后，变成脉冲信号。 由于仪器测杆与标尺光栅刚性连接，故测杆位移l 与脉冲信号的关系可用下式表 达： l = a n ：上( 2 1 ) ， 式中，a 一脉冲当量：n 一电路细分能力；k 一光栅线纹密度；n 一脉冲数。 6 第二章系统工作原理及总体结构设计 脉冲当量是每一个脉冲相当的位移尺寸。设n = 1 0 0 ，k = 1 0 0 ，n = i ，则 e = 丽1 l = o 1 小1 0 0 1 0 0 。 上式说明，当采用1 0 0 线光栅时，电信号经过1 0 0 细分后，测杆每移动0 1 u m ， 电路将给出一个电脉冲。由计算机得到脉冲数便可准确地得到被测尺寸大小。 2 1 3 系统工作原理 结合上面的原理，根据本系统的功能我们设计整个系统的工作原理图如图2 4 所示。 图2 4 系统工作原理图 本系统由一台计算机，步进电机控制卡，步进电机及其驱动器，光栅传感器， 光栅测量系统，c c d 摄像头和图像采集卡组成。 计算机作为整个系统的控制核心，主要任务包括：表盘图像和光栅信号的采 集、表盘图像的处理、步进电机的控制。表盘图像的采集是通过控制c c d 摄像机 实现的；光栅信号的采集是通过与光栅测量系统的通信实现的；步进电机的控制 是通过步进电机控制卡发送脉冲给步进电动机驱动器来实现的。步进电动机带动 光栅传感器的手轮，从而驱动光栅传感器的推杆，最终推动仪表的测杆使得仪表 指针转动。仪表的准确位移量由光栅测量系统测得，最终由串口传送到计算机。 摄取的表盘图像通过图像采集卡传输到计算机。 在指针式仪表检定之前，需要将光栅传感器的推杆与仪表的测杆相接触，并 将指针对零。系统工作时，首先根据被检表的类型和量程确定受检点的个数和相 7 电子科技大学硕士学位论文 邻受检点之间的分度间隔。然后由步进电动机带动动仪表指针转动。在仪表指针 转动时，计算机实时采集光栅测量系统的测量数据，当该数据与相邻受检点的间 隔距离相等时，计算机启动e c d 摄像机采集表盘图像，计算机对采集到的表盘图 像进行处理，从而确定仪表指针的位置参数，并将该位置参数与光栅测量系统采 集到的基准量相比较，从而求出该受检点的示值误差。按照这种方法依次检测正 反行程内各受检点的示值误差。在测量完正反行程各受检点的示值误差之后，根 据国家指示表类检定规程j j g 3 4 9 6 所规定的检定算法，并依据所有受检点的示值 误差，可以计算仪表的其它各项精度指标如工作行程误差、回程误差等。 2 2 系统总体结构设计 基于系统的工作原理，我们采用光栅测量技术，c c d 图像采集技术和数字图 像处理技术对仪表进行精度检定，并采用了步进电机的伺服控制技术实现了检定 的自动化。 本系统总体结构按照图2 - 4 来设计。系统采用步进电机为动力源，步进电机通 过弹性连轴结与光栅传感器的转动轮相连，转动轮将电机的旋转运动变为直线运 动，并推动光栅传感器的推杆与被检表的测杆相对，当推杆与测杆相接触后，步 进电机便可以直接驱动测杆移动。 光栅测量系统是利用光栅测长原理实时地对光栅传感器的输出信号进行处 理，并通过计算机串口把标准位移值送到计算机。本系统采用的光栅传感器每l m m 有1 0 0 个刻线，光栅测量系统对光栅传感器的信号进行了2 0 细分，因此由公式( 2 - 1 ) 可知，光栅传感器的测杆每移动0 5 1 m a ，光栅测量系统的输出位移值就改变1 。 步进电机的转动由计算机通过步进电机控制卡进行控制。当光栅传感器的推 杆未与被检表测杆相接触时，计算机控制步进电机快速运动。当推杆与测杆接触 后，计算机控制电机做低速匀速转动，实现被检表的指针匀速转动，保证示值测 量精度。当被检表指针达到最大行程后，计算机控制电机反向运转，实现反行程 检定。 在光栅传感器的推杆推动下产生的被检表指针指示值变化量，由高精度c c d 摄像机进行摄取，通过图像采集卡的传输和计算机图像处理和计算，最终得到指 针示值。 整个检定过程完全是在计算机的控制下完成的，因此本系统具有较高的自动 化和智能化程度。 第二章系统工作原理及总体结构设计 本系统采用步进电机为基准量值系统动力源，移动过程受系统的计算机控制， 可以实现连续检测和检定过程自动化，大大提高检定效率，而且检定范围可以随 意调整，灵活方便，由精密光栅提供测量长度基准，保证了基准量值的准确和稳 定。采用图像处理技术实现指针示值的自动判读，提高了检定精度和准确性。系 统结构合理，控制简单可行，适用于各种指针式仪表的示值检定，例如千分表、 百分表等。 2 3 系统的软件结构设计 软件的结构设计包括软件的模块化设计和软件的算法优化设计。在本系统中 对软件的算法优化设计主要是为了提高软件的处理速度和系统的实时性。计算机 对表盘图像进行实时采集处理，在对表盘图像进行处理的过程中，表盘图像数据 以矩阵的形式分布，矩阵大小为1 2 8 0 1 0 2 4 ，数据量相当大；同时还要对表盘图 像进行指针识别等处理，因此整个图像处理过程的计算量非常大。同时仪表的检 定过程是一个连续的过程，计算机要连续的处理相邻受检点的表盘图像，这就对 系统的实时性提出了较高的要求，因此软件算法的优化对于本系统而言尤为重要， 关于系统的实时性要求及软件算法设计，我们将在第四章作详细论述。 本系统的软件设计选择的编程语言是v i s u a lc + + ，它作为一个功能非常强大的 可视化应用程序开发工具，m i c r o s o f t 的基本类库m f c 使得开发w i n d o w s 应用程序 比以往任何时候都要容易得多。c + + 提供的各种函数、指针操作和直接对硬件操作 使得图像处理速度更快。用v c + + 编制的应用软件无论在处理速度和图像的显示等 方面都表现出较高的效率。 为了优化程序设计，软件开发采用的是模块化设计，而且各程序模块应满足 以下条件： 1 透明性好：一个模块在完成指定功能后，应不影响主程序现场，不改变各 种指针，可放心调用。 2 相容性好：各模块的入口、出口条件应相容，可以直接以积木方式调用一 系列模块，而不必做辅助准备工作。 3 功能性强：各模块能提供最常用的功能，以减轻程序的重复性开发。 4 质量问题：各模块尽量优化算法，提高运行速度。 系统软件的编写主要由以下几个模块组成。 1 步进电机控制模块：通过计算机向步进电机控制卡发送相应的命令来实现 电子科技大学硕士学位论文 的，包括低速顺时针转动、低速逆时针转动、以给定速度位移顺时针转动、以给 定速度位移逆时针转动和停止转动等。 2 光栅传感器的数据采集模块：计算机通过对串口接收标准位移数据。 3 表盘图像采集模块：由于图像采集卡自带丰富的开发包，只需要对相应的 a p i 函数进行调用即可。 4 表盘图像处理模块：包括图像相减、灰度化、二值化、细化和h o u g h 变换 等。 5 表盘精度的计算模块：包括对仪表的示值误差、回程误差等精度的计算。 整个软件在结构上，是一种自上而下的结构。其具体步骤如下： 第一步，软件初始化。包括图像采集卡和步进电机控制卡。 第二步，打开图像预览窗口，获取表盘图像并在计算机屏幕上实时显示。 第三步，控制步进电机使仪表指针对零，并摄取在指针对零后的初始图像。 第四步，控制步进电机做正反向运动，使其推动仪表指针运动，并通过串口 实时读取光栅传感器的标准位移，当该位移与检定点的位置相等时，控制c c d 摄 像头摄取各检定点的图像，并对各检定点的图像和对零的图像通过图像处理计算 各受检点的指针位置。并计算各受检点的示值误差。 第五步，根据各受检点的示值误差，计算被检表的精度指标，如：工作行程 误差、回程误差等。 第六步，给出检定结果。 第七步，检定结束。 根据整体软件结构，我们采用v c + + 设计了系统软件的用户界面图2 - 5 ，并且 给出了系统软件的流程图2 7 。 图2 5 系统软件的用户界面 1 0 第二章系统工作原理及总体结构设计 下面对软件的用户界面几个重要按钮简要说明一下： 1 “预览表盘”：就是在w i n d o w s 下开辟一个图像窗口，用c c d 摄像头实时 观察表盘图像，如图2 - 6 。 图2 - 6 预览表盘的指针图像 2 “指针对零”：就是控制步进电机低速转动，并且通过表盘预览的图像窗 口观察指针的位置，直到指针和0 刻度线对齐为止。 3 “检定的伺服速度设置”：就是设置检定时电机的转动速度以控制指针的 转动速度。 4 “开始检定”：这个按钮是系统软件的核心。它是在“初始化”，“指针 对零”以及“检定的伺服速度设置”以后，才能执行的按钮。它包括：启动电机按 照“检定的伺服速度设置”设置的速度匀速运动；计算机通过串口实时读取光栅 传感器的标准位移并显示在“光栅传感器的标准位移”中；当标准位移与检定点 的分度值相等时，便启动c c d 摄像头摄取表盘图像：在正反检定行程的每一个检 定点，得到的图像与对零后摄取的初始图像进行图像减法处理，然后对差值图像 进行处理并提取指针角度。 5 “精度分析”：这个按钮是在检定结束后根据所有的检定点的示值误差进 行运算，从而得到仪表的各项精度值。 电子科技大学硕士学位论文 初始化图像采集卡 步进电机控制卡 确定指示袁的所有榆定点 的位移量并保存 打开图像预览窗 j ，以 实时观察指示表表盘 控制电机使指示表的 指针对零 控, c c d 摄像机摄取对零后 的初始袁盘图像并保存 百而丽丽磊哥顺面 蕊丽 并确定下一受检点指针位置， 保存指针位移量 采集光栅测量系统 数据并保存 当浆蒜器飘等? j j 塑当前检定点的位移相等 一 控制c c d 摄像机摄取此时 的表盘图像并保存 利用初始衰盘图像和 此时的表盘图像进行 启动电机使指针逆时针转动 并依次检测备受检点示值误差 i 根姑各个受检点的示值误差， 确定指示表的各项精度 图2 7 系统软件流程 1 2 第二章系统工作原理及总体结构设计 2 4 系统的设计指标 系统的设计指标是根据国家指示表检定规程j j g 3 4 - 9 6 所提出的检定要求所设 计的。 对于百分表检定项目要求具体如下： ( a ) 工作行程误差； ( b ) 回程误差； ( c ) 任意0 1 m m 示值误差、任意l m m 示值误差。 技术指标要求： ( a ) 分辨率0 5 u m ( b ) 精度 0 5 9 m 2 5 本章小结 通过查阅大量的资料，我们设计了指针式仪表自动检定系统的总体结构方案， 该方案采用了步进电机伺服控制技术、精密光栅测量技术、数字图像识别与处理 技术，实现了仪表检定的自动化，具有一定的创新性。同时本章还论述了系统软 件的设计方案，对软件设计方案的设计着重考虑了软件的处理速度及软件的模块 化设计。 电子科技大学硕士学位论文 第三章步进电机控制卡的设计 3 1 方案确定及其总体设计 上一章给出了系统的总体设计，并且介绍了系统的伺服控制，而伺服控制的 核心就是步进电机控制卡。本章将详细介绍该卡的设计。 传统的电机控制一般采用单片机，其优点是成本低，简单。但是考虑到本系 统对实时性有很高要求，而单片机在处理乘法和除法运算的时候速度不快，所以 本设计采用了t i 公司的d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a l5 【6 】，以下简称2 4 0 7 ) ，除了它的速度 比一般的单片机快以外，还因为它集成了丰富的片内存储器和外设，既可以很方 便的进行控制方面的应用，又可以节省电路板空间，从而提高系统的可靠性。 对于与计算机之间的接口考虑，也是从系统的实时性出发的。因为计算机需 要频繁地与d s p 之间进行数据交换，主要包括计算机向d s p 发出的命令和数据， 以及d s p 反馈给计算机的数据，所以选择了高速p c i 总线方式。于是我们的系统 功能框图如图3 一l 所示。该系统的核心是d s p 。d s p 负责接受计算机发出的命令和 参数，然后经过特定的运动控制算法，如位置控制、速度调节，从而完成对步进 电机的精确控制，同时d s p 将反馈信息送回给p c i 局部总线，并且控制系统的其 他外设。d s p 与计算机的通信通过p c i 桥接口芯片c y 7 c 0 9 4 4 9 【7 】实现。 图3 - 1 系统功能框图 1 4 一一愀一一 第三章步进电机控制卡的设计 3 2 步进电机控制卡的硬件设计 3 2 1d s p 模块设计 3 2 1 1d s p 芯片介绍 2 4 0 7 是t i 公司专为控制系统设计的d s p 。它是一种低成本、低功耗、高性能 的处理器，具有如下特点： 采用高性能静态c m o s 技术，供电电压仅3 3 v ，从而减小了功耗；4 0 m i p s 的执 行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 4 0m h z ) ，从而提高了控制器的实时控制和 运算能力； 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达2 5 k 字的数据程序r a m ：包括 5 4 4 字的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s r a m ) ： 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：2 个1 6 位的通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。他们能够实现：p w m 的对称和非对称波形；片内光电 编码器接口电路；1 6 通道的a d 转换器。 可扩展的外部存储器达1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字数据存储 空间；6 4 k 字i o 寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 集成了控制器局域网络( c a n ) 2 o b 模块，串行通信接口( s 0 1 ) 模块，1 6 位 串行外设( s p i ) 接口模块。 基于锁相环的时钟发生器。 4 0 个通用i o 口。 5 个外部中断( 两个电机驱动保护，复位和2 个可屏蔽中断) 。 2 4 0 7 的设计基于增强的哈佛结构。它可以通过三组并行总线访问多个存储空 间。它们分别是：程序地址空间( p a b ) ，数据读地址总线( d r a b ) ，数据写地址总 线( d w a b ) 。其中的任意一组可以访问不同的空间，以实现不同的器件操作。由于 总线是分离的，所以可以同时访问程序和数据空间。在一个给定的机器周期内， c a l u 可以执行多达3 次的并行存储器操作。图3 - 2 是2 4 0 7 的c p u 的功能模块图。 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 22 4 0 7 的c p u 的功能模块图 1 6 第三章步进电机控制卡的设计 3 2 1 2 基于d s p 的最小系统设计 这里主要是设计出d s p 的基本外围电路【8 】。 电源设计：在本系统中需要3 3 v 和5 v 同时供电，恰好p c i 总线可以提供 这两个电源，所以本系统电源设计采用计算机主板供电。 晶体振荡器接口设计：本系统采用的是3 3 m 的p c i 时钟，所以没有外加晶 体振荡器，即直接将3 3 m 的p c i 时钟信号输入到2 4 0 7 的x t a l i c l k i n 引脚。 存储器扩展接口：在外部存储器扩展时，必须考虑到等待状态对外部存储 器的影响，片外存储空间的等待状态是由等待状态产生寄存器( w s g r ) 产生的。 为了获得零等待片外存储器的数据位，必须对w s g r 编程。本系统设计中选用了 c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 2 1 b v 3 3 作为外部的程序存储器，该芯片是6 4 k 字的。通过该 硬件接口，2 4 0 7 可以访问的程序存储器空间为6 4 k 字。程序存储器空间的配置有两 种，一种6 4 k 字存储空间全部位于外部存储器；另一种是内部f l a s h 存储空间使能， 其存储空间范围是o x 0 0 0 0 0 x 7 f f f ，而可用的外部存储器空间为o x 8 0 0 0 一o x f f f f 。这 主要通过对引脚2 4 0 7 的引脚m f m c # 的电平高低来决定。当m p m c # 为高电平时， f l a s h 存储空间被禁止。对于外扩数据存储器，在p c i 接口设计中会详细叙述。 在搭建基于2 4 0 7 的硬件系统的时候，有几个重要的引脚需要考虑： 1 b o o te n # x f ：该引脚在复位期间作为输入引脚，引脚采样的电平值更新系 统配置寄存器s c s r 2 3 位，然后作为x f 输出信号。复位以后，x f 为高电平。在本设 计中，是将该引脚上拉，这样的话，复位期间，该引脚的采样值为高电平，从而 s c s r i 3 = i ，禁止了引导r o m ，2 4 0 7 的片内f l a s h 程序存储器映射地址范围就是 0 0 0 0 h 一7 f f f h 。 2 b i o # i o p c i ：这是分支控制输入引脚。由于本设计没有使用该引脚，所以 必须将其上拉为高电平。 3 2 2 电机驱动器接口模块设计 本设计中主要是利用了2 4 0 7 的事件管理器中的全比较单元来产生非对称f w b l 波形来作为电机驱动器的脉冲p u 和方向信号d r 。其中，p w m l 引脚作为脉冲信号 输出p u ，p w m 2 引脚作为方向信号输出d r 。但是由于电机驱动器是大功率器件，因 此如果直接把这两个引脚信号接到电机驱动器上的话，可能会造成信号倒流入 2 4 0 7 ，从而烧坏d s p ，因此我们采用了高速光耦( 2 6 3 0 ) 来进行隔离。2 6 3 0 集成了 2 路光耦，因此一片2 6 3 0 就可以完成p w m l 和p w m 2 的隔离。由于2 6 3 0 是5 v 器件， 电子科技大学硕士学位论文 而2 4 0 7 的p w m 输出只有3 3 v ，所以在2 4 0 7 和2 6 3 0 之间采用了t i 公司提供的典 型的电压匹配电路。 由于经过光电隔离后输出的信号要经过比较长的距离才传送到电机驱动器， 因此在设计中在光耦输出端再加一个差分长线驱动器a m 2 6 l s 3 1 。 需要说明的是，在硬件设计中我们考虑了同时控制两个电机的情况，这主要 是为了以后扩展卡的功能。本系统中我们只需要一路电机控制信号p u 和d r 。 综上，便可以将2 4 0 7 的p 1 v m 信号与电机驱动器的控制信号联系起来了。 3 2 3p c i 接口设计 3 2 3 1p c i 接口介绍 p c i 总线【9 1 是i n t e l 公司推出的一种高性能局部总线，它的主要特点是： 具有地址数据多路复用的高性能3 2 位或6 4 位的同步总线。总线引脚数目 和部件数量少( 对于总线目标设备只有4 7 根信号线，对于主设备最多只有4 9 根信 号线) 。 p c i 局部总线在3 3m h z 总线时钟、3 2 位数据通路时，可达到峰值1 3 2m b i t s 的带宽：在3 3 m h z 总线时钟，6 4 位数据通路时可达到峰值2 6 4 m b i t s 的带宽：在6 6 m h z 主频时，对于3 2 位数据通路和6 4 位数据通路带宽的峰值，可分别达到 2 6 4 m b i t s 或5 2 8m b i t s 的带宽：p c i 总线还有线性突发传输功能，保证了满载的 高速传输。 p c i 总线的设计是独立于处理器的，可以方便地在符合p c i 规范的微机和 工作站系统中进行硬件移植。 隐蔽的总线仲裁，减小了仲裁开销。 极小的存取延时，采用总线多主控和异步数据转移操作。 p c i 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证数据完整性和准确性。 p c i 总线与c p u 和时钟频率无关，它能