（计算机应用技术专业论文）基于机器视觉的直齿圆柱齿轮测量系统的设计与实现.pdf

中文摘要 齿轮是任何机械设备必备的零件，由于其形状复杂，种类多样，需要测量 的参数多，给齿轮的准确测量带来一定难度。传统的接触式机械测量方法，测 量时间长，工作量大，且不适合在生产过程中进行在线测量。研究应用机器视 觉、虚拟仪器等技术进行齿轮参数测量，不仅可以实现实时、在线的精密测量， 而且具有非接触、可视化好、自动化和智能性高等诸多优点。 本文在研究机器视觉和虚拟仪器的基本理论和特点的基础上，充分利用虚 拟仪器的开发平台l a b v i e w 及其外挂工具包i m a qv i s i o n 的强大开发功能， 研究实现了一个渐开线直齿圆柱齿轮基本几何参数测量系统。在l a b v l e w 平台 下用采集和回放两种方式实现了渐开线直齿圆柱齿轮的齿顶圆、齿根圆、模数 等基本几何参数的在线测量，进而计算出公法线的值以监控齿轮在生产过程中 的偏差。在系统开发过程中，探讨了在i m a qv i s i o n 中进行齿轮灰度图像的形 态学和滤波处理方法，为齿轮参数测量提供了质量比较好的齿轮图像。 开发软件系统进行齿轮参数测量，节省了购买昂贵硬件设备所消耗的开支， 而且简单易用。本系统虽然只能完成简单的渐开线直齿圆柱齿轮基本几何参数 测量，测量的结果还不够精确，还不能达到工业上对齿轮精度的要求，但为机 器视觉技术和虚拟仪器技术在齿轮测量中的应用和发展提供了有益的探索。 关键词：机器视觉，虚拟仪器，l a b v i e w ，i m a qv i s i o n ，直齿圆柱齿轮测量 a b s t r a c t g e a r sa r et h ee s s e n t i a ls p a r e so fa n yp l a n te q u i p m e n t ，t h e i r c o m p l i c a t e ds h a p e sa n dv a r i e df e a t u r e sr e q u i r em a n yp a r a m e t e r s ，w h i c h m a k e si td i f f i c u l tt om a k ep r e c i s em e a s u r e m e n t s t h et r a d i t i o n a lc o n t a c t m e t h o d sa r eu n s u i t a b l et ob eu s e di nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s e ss i n c et h e y t a k et o om u c ht i m ea n de n e r g y t h ea p p l i c a t i o no fm a c h i n ev i s i o na n d v i r t u a li n s t r u m e n t sc a n n o to n l ya c h i e v et h ep r e c i s ea n ds y n c h r o n o u sli n e m e a s u r e m e n t s ，b u ta l s oi th a st h eu n t o u c h a b l e ，v i s i o n a l ，a u t o m a t i ca n d i n t e l l i g e n ta d v a n t a g e s t h i st h e s i sf i r s ts t u d i e st h eb a s i ct h e o r i e sa n df e a t u r e so ft h e m a c h i n ev i s i o na n dv i r t u a li n s t r u m e n t s ：o nt h i sb a s i s ，m a k e st h eb e s t o ft h ep o w e r f u ld e v e l o p m e n tf u n c t i o n so ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t s 。l a b v i e w a n di t se x t e r n a lt o o lb a gim _ v i s i o nt op u t t h eb a s i cg e o m e t r i cp a r a m e t e r m e a s u r e m e n ts y s t e mo ft h ei n v o l u t es p u rg e a ri n t op r a c t i c e ：a n dt h e n ， u s e st h ec o l l e c t i o n a n dp l a y b a c km e t h o d s t oa c h i e v et h eb a s i c1 i n e m e a s u r eo ft h et o pg e a rp i c t u r e s ，r o o tg e a rp i c t u r e sa n dm o d u l u so ft h e i n v o l u t es p u rg e a rs oa st oc a l c u l a t et h er e s u l t so fp u b l i cn o r m a lt o m o n i t o rt h ed e v i a t i o n sd u r i n gt h eg e a r sp r o d u c t i o np r o c e s s e s d u r i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h es y s t e m ，t h i st h e s i sp r o b e si n t ot h em o r p h o l o g ya n d f il t e r i n gm e t h o d st op r o c e s st h eg r a ys c a l ep i c t u r e so ft h eg e a r ss oa s t op r o v i d et h eb e t t e rq u a l i t yp i c t u r e sf o rt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r m e a s u r e m e n ts i ts a v e sal o to fm o n e yt od e v e l o ps o f t w a r es y s t e m st og e tg e a r p a r a m e t e r st h a nt ob u yt h eh a r d w a r ee q u i p m e n t f u r t h e r m o r et h es o f t w a r e i se a s yt ou s e a l t h o u g ht h i ss y s t e mc a no n l ya c c o m p l i s hs i m p l eg e o m e t r i c p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t so ft h ei n v o l u t es p u rg e a r sa n dt h ep a r a m e t e r sg o t a r en o tp r e c i s e l ye n o u g ht om e e tt h ea c c u r a t ed e m a n di nt h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o no ft h eg e a r s ，i tp r o v i d e st h em e a n i n g f u le x p l o s i o no ft h e u s a g ea n dd e v e l o p m e n to ft h em a c h i n ev i s i o na n dv i r t u a li n s t r u m e n t s t e c h n o l o g yi nt h em e a s u r ep r o c e s so ft h eg e a r s k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ，l a b v i e w ，i m a qv i s i o n ， m e a s u r e m e n to fs p u rg e a r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：； 签字日期：力卯7 年月 学位论文版权使用授权书 吵日 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：芗 导师签名： 孑嘶军 签字日期：加7 年月刁日 签字日期：6 7 年 ，月彳日 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 进入二十一世纪，随着电子、信息、计算机、网络等高新技术在机械制造 技术中的广泛应用，促进了中国机械制造业，尤其是作为机械制造业基础部件 齿轮工业的快速发展n 钉3 1 。特别是近几年，汽车和摩托车行业在我国取得 了飞速的发展，更加快了齿轮工业的发展速度，其年产值以每年平均近2 0 的 速度在增长，2 0 0 5 年达到了5 9 0 亿，五年后其年产值将达到上千亿元“钉。 中国齿轮专业协会确定的“十一五 期间的发展目标是：推进中国成为齿轮制 造强国与出口大国，使我国将成为齿轮出口大国，在世界同行业中处在保3 争 2 的位置“1 。因此无论是国有企业、股份公司、还是民营企业，齿轮制造企业 在扩大齿轮产量、品种的同时，更加注重提高齿轮制造质量。强化并提高齿轮 制造全过程的测量与监控技术水平获得了空前的重视，开发具有自主知识产权 的齿轮测量技术和仪器，满足我国齿轮制造质量检测的迫切需要，是我国齿轮 测量仪器制造业当前所面临的一项重要而紧迫的任务7 1 。 1 2 课题研究的意义 齿轮是各种机器设备中经常用到的一种重要的传动零件；齿轮的精度直接 影响整台机器的工作性能和使用寿命阳1 。齿轮的精度，不仅与齿轮的设计和加 工有关，也与对齿轮误差的测量、分析、及合理控制有关。齿轮形状复杂，测 量参数较多，因此齿轮测量一直是几何量测量中的难点。 齿轮测量技术的发展已有近百年的历史。从上个世纪8 0 年代开始，齿轮测 量技术取得飞速发展，出现了许多齿轮测量的智能化仪器，但是这些智能化仪 器，其价格较昂贵，使用和维修的技术性也较强，所以大多数企业还是沿用传 统的齿轮测量仪器或使用其它机械测量仪器进行齿轮测量。这些传统的接触式 机械测量方法，测量时间长，工作量大，且不适合在生产过程中测量。 目前正在形成测量领域新热点的机器视觉技术、虚拟测量技术，应机电产 品制造企业信息化的要求，得到了迅速的发展，并以其非接触、实时、可视化 好、自动化和智能性高等诸多优点，可广泛用于各种实时、在线的精密测量， 尤其适合于零件几何参数的动态实时精密测量，在国民经济、科学研究及国防 建设等领域应用广泛“，。 第一章绪论 由美国公司推出的一个图形化软件开发环境l a b v i e w 及其通用软件开 发平台为工程技术人员构建快速灵活的非接触在线齿轮测量系统成为可能。 在各种类型的齿轮产品中，由于渐开线直齿圆柱齿轮具有能保证恒定的瞬 时传动比、制造这种齿轮所用的切齿刀具的形状简单、易于制造等一系列优点 使得这种齿形的齿轮应用最为广泛n ，因此本文结合机器视觉技术和虚拟仪器 技术探讨用较低成本的设备组成测量系统，实现对渐开线直齿圆柱齿轮的实时 图像处理和几何参数的非接触式在线测量。 1 3 国内外研究动态 在齿轮测量技术上美国、德国、日本、瑞士、意大利等几个国家处于领先 的地位叫蚴m 1 。 美国i t w 公司与英国m o o r e 公司联合开发了圆柱渐开线齿轮在线检测分选 机，这种仪器既能对齿轮进行批量加工检测，保留了传统齿轮双啮仪的功能， 也能对齿向位置误差进行快速、有效的检测分选。 德国f r e n c o 公司的齿轮啮合扫描测量仪，h o f l e r 公司z w 系列圆柱 齿轮综合检查仪，m a h r 公司的m a r v i s i o n 系列三维光学坐标测量机， s c h n e i d e r 公司的s k m 系列3 d 多测头坐标测量机等都是典型的齿轮测量仪 器。 。日本a m t e c 公司发表了采用激光全息技术进行齿轮非接触测量的方法。 大阪精机公司开发的激光全息法齿轮全齿面测量仪，该仪器能够一次测出全齿 面的形状误差，但是它不能测量大螺角齿轮。松下电器产业开发的采用原子力 测头的超精密三维测量仪。三丰( m i t u t o y o ) 公司有最先进的在线三坐标测量 机( m v c h v ) 、c n c 视像测量系统系列产品中的s v 3 5 0 - p r o 型测量机。索尼精 密工程公司的非接触形状测量机y p 2 0 2 1 是利用半导体激光高速高精度自动聚 焦传感器的形状测量机。 另外还有瑞士的利用三坐标成像测量的t e s a s i o 系统的t e s a 公司等都是 国外一流的齿轮测量技术企业。国外这些齿轮测量仪器虽然都很先进，但价格 都相对较为昂贵，而且有的测量仪器并不完全适合中国的企业。所以我们国家 的企业一定要研制适合自己特点的一流的齿轮测量仪器。 当然我国齿轮测量技术的起步较晚，水平还不是很高，但是近两年随着我 国汽车摩托车等制造业的快速发展，我国齿轮测量技术取得了一些可喜成绩n 4 1 ，涌现出一大批一流的单位和企业，如成都工具研究所、哈量集团、精达仪器 公司、西安交大思源精密公司、哈尔滨精达公司等n 钉。 第一章绪论 其中成都工具研究所的c z a 5 0 型单面啮合整体误差测量仪是圆柱齿轮综合 检查的典型仪器。成都工具研究所研$ 1 j i 约c p q f 汽车齿轮在线测量仪。哈量研制 的我国首台能测2 米直径齿轮的3 9 2 0 型齿轮测量机。另外哈量集团、精达仪器 公司和成都工具研究所等还建成了先进的c n c 齿轮测量中心。尤其是最近由北 京工业大学与哈量集团联合研制的，据称是国内第一台自主研制达到实用化水 平的齿轮在线测量仪器3 5 0 1 齿轮快速在线测量机的问世，标志着我国齿轮 测量技术已达到了当今国际先进水平n 盯。这些齿轮测量技术的水平很高，也很 精确，但是大多数采用价格昂贵专用硬件设备，这些设备通常以专门的c p u 或 高速d s p 芯片为核心，针对不同应用场合要设计专门的电路，用汇编语言或c 语言对d s p 芯片进行编程，因此使得整个系统的开发工作量大，周期长，成本 高。而且对于一个企业来说，还要抛弃原有的测量设备，是一个很大的损失。 我们进行此项研究，目的是开发一个简单易行的软件系统，使其能够耦合到原 有的测量设备当中，或者利用普通的计算机、机器视觉等设备实现齿轮的精确 在线测量，这样不但可以节省购买新设备的大量资金，还不至于浪费原有设备。 1 4 论文的主要研究内容和组织安排 本文在研究机器视觉和虚拟仪器的基本理论和特点的基础之上，充分利用 虚拟仪器的开发平台l a b w 及其外挂工具包i m a qv i s i o n 的强大开发功 能，研究实现一个渐开线直齿圆柱齿轮基本几何参数的测量系统。具体内容如 下： 1 在l a b v i e w 平台下用两种方式实现渐开线直齿圆柱齿轮的几何参数测 量：在采集方式下，通过采集卡现场采集齿轮图像，然后进行分析处理和参数 测量。在回放方式下，通过提取计算机中已有的齿轮图像进行分析处理和参数 测量。 2 探讨在i m a qv i s i o n 中进行齿轮灰度图像的形态学和滤波处理方法。 3 渐开线直齿圆柱齿轮外形基本几何参数和公法线的在线测量。 本文分为5 个部分： 。第一章介绍了课题研究的背景、意义和国内外研究动态。 第二章介绍了机器视觉系统的概念及组成。 第三章简单介绍了虚拟仪器的概念、组成及虚拟仪器的开发平台 - l a b v i e w 及其外挂工具包i m a qv i s i o n 。 第四章是渐开线直齿圆柱齿轮几何参数测量系统的总体设计，重点阐述了 系统采用的虚拟仪器结构及软件模块。 第一章绪论 第五章是渐开线直齿圆柱齿轮几何参数测量系统的实现，阐述了应用 l a b v i e w 进行齿轮几何参数测量和公法线测量以及用i m a qv i s i o n 进行齿轮灰 度图像的形态学和滤波处理的方法。 第六章对全文进行总结，并指出不足之处。 第二章机器视觉 2 1 机器视觉概念 第二章机器视觉 帚一早倒l 裔佻见 机器视觉( m a c h i n ev i s i o n ) 是研究计算机或其它处理器模拟生物宏观视觉功 能的科学和技术，是在没有人类干预的情况下，使用计算机或其它处理器来处 理和分析图像信息并做出结论，以控制机器或过程n 。 机器视觉是建立在计算机视觉( c o m p u t e rv i s i o n ) 理论基础上的。计算机视觉 是用计算机实现人的视觉功能对客观世界的三维场景的感知、识别和理解。 机器视觉( m a c h i n ev i s i o n ) 偏重于将计算机视觉( c o m p u t e rv i s i o n ) 技术工程化，能 够自动获取和分析特定的图像和景物，机器视觉为计算机视觉的实现提供传感 器模型、系统构造和实现手段。因此说，一个机器视觉系统就是一个能自动获 取一幅或多幅目标物体图像，对所获取图像的各种特征量进行处理、分析和测 量，并对测量结果做出定性分析和定量解释，从而得到有关目标物体的某种认 识并做出相应决策的系统。 2 。2 机器视觉系统组成 机器视觉系统一般以计算机为中心，主要包括视觉传感器、高速图像采集 系统及专用图像处理系统等模块 1 ，如图2 1 所示。 图2 - 1 机器视觉系统基本组成模块 第二章机器视觉 2 2 1 视觉传感器 视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源，主要由一个或者两个图 像传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备。它的主要功能是获取 足够的机器视觉系统要处理的最原始图像。图像传感器可用激光扫描器、c c d ( e g 子耦合器) 摄象机、t v 摄象机、数字摄象机等。 c c d 摄像机，由于c c d 体积小、重量轻、寿命长且抗冲击、清晰度高等特 点在机器视觉系统中得到广泛应用。按照所使用的c c d 器件可以分为线阵式和 面阵式两大类。线阵c c d 摄像机一次只能获得图像的一行信息，被拍摄的物体 必须以直线形式从摄像机前移过，才能获得完整的图像。它主要用于检测条状、 筒状产品，例如布匹、钢板、纸张等。面阵摄像机可以一次获得整幅图像的信 息。目前在机器视觉系统中，以面阵c c d 的应用居多。c c d 成品相机的分辨率 不断提高，2 0 4 8x2 0 4 8 像素的c c d 相机已很普遍n 阳。 2 2 2 高速图像采集系统 高速图像采集系统是由专门视频解码器、图像缓冲器和控制接口电路组成 的。它的主要功能是由实时地将视觉传感器获取的模拟视频信号转换为数字图 像信号，并将图像直接传送给计算机进行显示和处理，或者将数字图像传送给 专用图像处理系统进行视觉信号的实时前端处理。 图像采集系统与计算机的接口采用工业标准总线，如i s a 、v m e 、p c i 总 线等，使得图像采集系统到计算机的实时图像数据传输成为可能。 2 2 3 专用图像处理系统 专用图像处理系统是计算机辅助处理器，主要采用专用集成芯片( a s l c ) 、 数字信号处理器( d s p ) 、现场可编程门阵列( f p g a ) 等设计的全硬件处理器。它 可以实时高速完成各种低级图像处理算法，减轻计算机的处理负荷，提高整个 视觉系统的速度。专用图像处理系统与计算机之间的通信可以采用标准总线接 口、串行通信总线接口、网络通信等方式。 机器视觉中的图像处理方法，主要包括图像增强、数据编码和传输、平滑、 边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后，输出 图像的质量得到相当程度的改善，既优化了图像的视觉效果，又便于计算机对 图像进行分析、处理和识别。图像处理是一个很复杂的系统工程，无数学者及 工程人员为每一个环节设计了诸多的算法，有关此方面的文献很多，如文献【1 9 1 2 0 1 2 1 】等。考虑到机器视觉系统多数应用场合具有高速、稳定的要求， 第二章机器视觉 采用的处理算法一般不应太复杂。在图像信号的处理过程中，不论选用哪些算 法，都要注意处理的速度必须大于或等于图像的采集速度。 目前，随着计算机技术、微电子技术以及大规模集成电路技术的发展，为 了提高系统的实时性，对图像处理的很多工作都可以借助硬件完成，如f p g a 的超级计算机和实时低级图像处理系统等。 2 2 4 计算机部分 计算机是整个机器视觉系统的核心，它除了控制整个系统的各个模块的正 常工作外，还承担着视觉系统的最后结果运算和输出。由图像采集系统输出的 数字图像可以直接传送到计算机，由计算机采用纯软件方式完成所有的图像和 其他运算。这样的一个实用的机器视觉系统的结构、性能、处理时间和价格等 都可以根据具体应用而定，因此较为灵活。 目前，随着机器视觉的飞速发展，不论是二维视觉处理，还是三维视觉处 理都取得了巨大进步。在二维视觉处理方面，已从二值视觉系统发展为灰度视 觉系统，并达到实用。在三维视觉信息获取上，根据实现思想和条件的不同， 也产生了诸多有影响的方法，如根据照明方式的不同，可分为主动测距法和被 动测距法。总之，机器视觉系统已得到了很好的发展与应用。 2 3 机器视觉系统的特点 机器视觉将图像处理、计算机图形学、模式识别、人工智能、神经网络等 学科领域与工业生产紧密联系在一起，这就使机器视觉系统和科学图像处理与 分析系统相比，具有以下特点： 1 广义性。图像处理是通过对图像分析和处理从而获得对景物解释的科学， 而机器视觉是通过分析处理并解释光学非接触传感器观测到图像后做出决定， 进而控制机器或过程，因此它比图像处理与分析系统有更广的意义，是图像处 理与分析系统的延伸。 2 非接触性。机器视觉系统一般都采用非接触传感器( 如c c d 摄像机，红 外热像仪等) 将外部场景转换为电信号，再经过数字化进行进一步分析处理，以 做出结论。 3 高可靠性、高精度和速度乜铂。无论是定量检测，还是定性检测，机器视 觉在很大程度上都提高了生产自动化水平和检测系统的智能水平。它不仅对图 像进行分析处理，而且将图像处理技术与工业生产紧密的结合在一起。因此， 第二章机器视觉 与一般的图像处理系统相比，机器视觉更强调精度、速度以及工业环境下算法 的适应性和可靠性。 4 软件算法浓缩、精简。机器视觉系统要代替人类在工业生产中的地位， 代替人类在生产中做出操作判断，这也要求机器视觉软件的算法比科学图像分 析处理软件所使用的算法更浓缩、精简。 5 界面的开放性。用户可根据应用需要进行计算机编程，以改善系统的功 能。为进一步使机器视觉系统与工业自动化现场相适应，由菜单驱动系统，用 鼠标、光笔等在屏幕上选择功能项即可，易于操作，无需专门培训操作员1 7 1 。 6 面向工业应用，可大幅度提高生产的柔性和自动化程度，且易于实现信 息集成，是实现计算机集成制造的核心技术之一嚣1 。机器视觉赋予了智能机器 人的视觉功能，以完成许多人类不能完成的工作或浪费大量人力物力的工作， 其之所以能够出现，就是因为人类要将自己从工业生产中大量的手工劳动中解 脱出来，并且做到自动化、高效以及节省人力物力。例如，在生产线上，如果 靠人工手段对可乐瓶的包装进行检查，平均每分钟每人检查6 瓶，但是用视觉 系统对可乐瓶的包装进行检查，平均每分钟可检查3 0 0 瓶左右，并且检查的效 率要比人工检测高的多。也正是由于机器视觉系统要实现自动化，所以机器视 觉通常与测控系统、机器人系统以及运动控制模块集成在一起使用。 第三章虚拟仪器及其开发平台 第三章虚拟仪器及其开发平台 在仪器仪表领域中，科学仪器的发展是随着计算机的发展而不断进步的。截 止目前，基于计算机的科学仪器的发展经历了传统的模拟仪器时代、智能仪器时 代、个人仪器和虚拟仪器时代，以及正在逐步成熟的三层网络化仪器时代n 们。 其中的虚拟仪器，从其结构上来说，就是把计算机硬件技术、软件技术和仪器硬 件有效结合在一起的仪器设备。 3 1 虚拟仪器的概念及组成 1 虚拟仪器的概念 随着产品结构的日趋复杂，产品性能的不断提高，以及市场对成本、时效性 限制的日益严格，生产过程中的测控问题已成为大多数厂家关注的焦点。 在纷繁的测控产品中，虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称) 已经成为来越 多测控人员的最佳选择啪1 ，这是因为虚拟仪器系统能更迅捷、更经济、更灵活 地解决测控问题。 虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友 好的图形界面( 通常叫做虚拟仪器前面板) 操作这台计算机。虚拟仪器以透明的方 式把计算机资源和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据 的分析处理、表达以及图形化用户接口。 应用程序将可选硬件和可复用软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、 定时与触发。软件为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。由于 虚拟仪器的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要 求变化时，可以方便地由用户自己来增减软、硬件模块，或重新配置现有系统以 满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构 造出新的虚拟仪器系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。而只所以能实现这一 切，都是因为计算机技术和软件技术的飞速发展。 计算机技术和网络技术提供了虚拟仪器技术发展的动力。电子测量仪器从 模拟仪器，带i e e e 4 8 8 接口的智能仪器，v x i ( v m e b u se x t e n s i o n s f o r i n s t r u m e n t a t i o n 是基于v m e ( v e r s a m o d e le u r o c a r d ) 总线在仪器领域的扩展) 、 p x i ( e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n 面向仪器系统的p c i 扩展) 总线的测试仪器， 到全部可编程虚拟仪器，再到最新的应用l x i ( l a ne x t e n s i o n s f o r 第三章虚拟仪器及其开发平台 i n s t r u m e n t a t i o n 面向仪器系统的l a n 扩展) 总线的网络化虚拟仪器的发展，其中 每一次飞跃无不归功于高性能计算机的发展。近些年，计算机的处理能力一直 按指数辜提高，网络技术和虚拟技术的结合在不断探入，使得虚拟仪器的发展 如虎添翼。 值得一提的是，计算机总线技术已经导致虚拟仪器形成基于p x i 和v x i 总线 的两犬行业主流”6 ”以及即将成为主流的基_ 于：l x l “”的虚拟仪器。v x i 是 结合g p i b ( g e n e r a l - p u r p o s e i n t e r f a c eb u s 通用接口总线) 仪器和d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ) 板最先进技术发展起来的高速、多厂商支持、开放式工业总线标准。 p x i 是将c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成适用于试验、测量与数据采 集场合的机械、电气和软件规范使得p c 的性价比优势与p c i 总线面向仪器领 域的必要扩展完美的结合在一起而形成开放性的虚拟仪器体系结构。而l x i 总 线是一种基于工业以太网的新的总线规则，是新一代基于以太网络的自动测试 系统模块化构架平台标准。l x i 联盟于2 0 0 5 年1 0 月通过了1 5 8 8 协议，为网络 化虚拟仪器设计和实现提供了标准而使网络化虚拟仪器必将成为市场的主流。 2 虚拟仪器的组成 图3 - i 虚拟仪器的系统构成 从逻辑上讲，虚拟仪器系统是由数据采集层、执行层和表达层组成的，如 图3 - 1 所示。数据采集层通过d a q 产品、串口仪器、g p i b 仪器等进行现场采 集数据，通过执行层进行输入输出等传输控制，然后通过计算机软件实现数据 的分析处理、表达输出或通过网络进行传输。从构成方式讲，则有以d a q 板 和信号调理模块仪器硬件而组成的p c - d a q 测试系统，以串口和现场总线( f i e l d 第三章虚拟仪器及其开发平台 b u s ) g p i b 、 v x i 、p x i 等标准总线仪器为硬件组成的串口系统和现场总线系 统、g p i b 系统、v x i 系统、p x i 系统等多种形式。特别在近几年，将机器 视觉也引入到虚拟仪器系统中，为虚拟仪器系统增加了视觉功能。无论哪种虚 拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式p c 或工作站等各种计 算机平台加上应用软件而构成，并可以通过网络进行远距离传输。因此不论是 上面的那种构成方式，都离不开计算机技术、网络技术和总线技术的发展，尤 其在总线的发展上，近年来出现的l x i 总线更进一步加强了虚拟仪器网络化的 发展。因此，虚拟仪器的发展完全与计算机技术的发展同步，而虚拟仪器的灵 活性与强大生命力也恰在此处。 虚拟仪器与传统仪器的比较见表3 1 汹1 ，其最主要的区别是虚拟仪器的功 能可由用户使用时自己定制，而传统仪器的功能则是由厂商事先定义好的。而 且利用虚拟仪器技术的开发方式不但避免反复，还有利于节约资源、保护生态n 表3 - l 虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器 虚拟仪器 硬件是关键 软件是关键 开发与维护费用高开发与维护费用低 技术更新周期长( 5 - 1 0 年)技术更新周期短( 0 5 - 1 年) 价格高 价格低，且可重复使用性与可配置性强 系统封闭、固定系统开放、灵活，与计算机的进步同步 只可连接有限设备可利用网络与周边的仪器连接 由厂商定义仪器功能，功能单一，由用户定义仪器功能，且具有自动化、智能化 操作不便可远距离传输的特点 3 2 机器视觉与虚拟仪器的结合 机器视觉与虚拟仪器结合的必要性是显而易见的。机器视觉注重对图像进 行分析并决定如何对外部控制机构的动作进行控制，但是任何所做的决定，最 终都用于指导外部的运动控制模块工作。虚拟仪器除了具备较强的分析功能外 还增强了控制功能，将二者结合就可以使机器视觉的分析功能和虚拟仪器的控 制功能同时为系统所用，而机器视觉和虚拟仪器各自的灵活性、可靠性、低成 本必将给予系统很强的灵活性和可靠性，同时也使系统有很高的性价比。 机器视觉软件与虚拟仪器开发平台的结合使机器视觉由传统的实现模式向 第三章虚拟仪器及其开发平台 基于p c 的实现模式逐步转化。这种转化的可能性和原因有以下几个方面： l 、计算机技术、多媒体技术使基于p c 实现机器视觉系统成为可能，也使 得机器视觉系统的价格进入平民化时代。 2 、局部总线技术使基于p c 的视觉系统有更强的数据处理能力。 3 、3 2 位的w m d o w sn t 2 0 0 0 操作系统和全方位的机器视觉软件，使机器 视觉系统的开发更快速可靠。 4 、网络技术和机器视觉的结合将使仪器的监控和数据的采集更加及时、准 确、可靠。 练上所述将虚拟仪器和机器视觉结合起来不仅是必要的同时也是可行的， 同时由于虚拟仪器技术得到众多商家的支持，这两种技术的结合不仅可以使技 术各自的优势得到充分发挥，同时也为缩短项目的开发周期、提高项目的可靠 性和性价比作出了保证。因此将虚拟仪器与机器视觉结合起来开发机器视觉系 统，必将使系统的开发周期缩短，同时也可以使系统的灵活性、可靠性和性价 比大为提高。 33 虚拟仪器的开发平台l a b e w l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv w t u a li n s m u e me n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 实验室虚拟 仪器平台) 是由美国国家仪器公司( n i ) 开发的一种可视化开发平台，是基于图形 开发调试和运行程序的集成化环境，是借助于虚拟前面板用户界面和方框图建 立虚拟仪器应用程序的设计系统。由于通过各个专业领域的工程师、科学家定 义和连接代表各种功能模块的图标，就可方便迅速地建立起通常只有高超编程 技巧的程序员才能编制的高水平应用程序。因此，它又被称为“面向工程师和 科学家的编程平台”。 l a b v i e w 编程语言和常规的程序语言不同，它是一种定位于非计算机专业 人员使用的编程工具。所以采用的是更容易使用的图形化程序语言g 语言 f g r a p h i c a l p r o g r a m m i n g l a n g u a g e ) ，如图3 - 2 所示。 ( a ) 前面板 第三章虚拟仪器及其开发平台 ”箱：赫耐：。一1 目i 1 日袒 _ 1 1 1 j i 一 国口! ；茸 。* 叫熏- ! 兰世 f 当”? ! ! 里 r 博 “粤黜 掣电兰一一。目 广1 7 西j 艟 t 兰一 j 一 越 l 。j ( b ) c a s e 结拇中信号正常时的程序面板( b ) c a s e 结构中生成信号错误时的程序面板 图3 - 2 用c a s e 结构实现信号处理的l a b v i e w 的语言环境 l a b v i e w 的编程环境主要包括两个面板。在图3 2 中，( 幻是前面板( p a n e l ) ， 用于编制虚拟仪器的软面板。和扣) 为程序面板( d i e m ) ，用于编写o 语言程 序代码。前面板上显示了用l a b v i e w 的c a s e 结构实现信号错误处理的输出显 示按钮( 输出信号状态按钮和输出信号算术平均值按钮) 。在程序面板( b ) 和( c ) 的显示中，调用了函数模板一i n p 呲子模板中的s i m u l a t es i g n a lv l ( 模拟信号子 v 1 ) ，让它产生一个带噪声的正弦信号。如果这个执行时没有错误发生，就 会调用函数模板一s i g n a la n a l y s i s 子模板中的s t a t i s t i c sv l ( 数学统计子v i ) 计算 它输出信号的算术平均值，并提示信号正常如图( b ) 所示。如果这个执行 时发生错误，只提示生成信号发生错误，如图0 ) 所示。 g 语言使用图标代替常规的一条或一组语句来实现其编程过程。不是书写 一行行语句。而是连线一个个代表一定功能的图标，因而更为直观、易用。作 为一种高水平的程序设计平台同传统的编程语言相比，采用l a b v i e w 图形编 程方式可以节省大约8 0 的程序开发时间，而其运行速度却几乎不受影响。 一个虚拟仪器可以把数据传送到另一个虚拟仪器上，因此l a b v i e w 发展 了结构化程序设计的概念，它将虚拟仪器分层次和模块化。即可以把任意一个 虚拟仪器当作顶层程序。也可以将其当作其它虚拟仪器或自身的子程序。这样 用户就可以把一个复杂的应用任务分解为一系列的多层次的子任务通过为每 一个子任务设置一个子虚拟仪器，并运用方框图原理把这些子虚拟仪器进行组 合、修改、交叉和合并等处理，最后建成的项层虚拟仪器就成为一个包括所有 应用功能的子虚拟仪器的集合。 因此，l a b v i e w 中的虚拟仪器相当于常规语言中的程序模块，通过它实现 了软件的重用。 第三章虚拟仪器及其开发平台 3 3 1l a b v i e w 的特点3 1 1 3 2 1 l 、图形化和数据驱动式的开发环境。l a b v i e w 使用所见即所得 的可 视化技术建立人机界面。针对测试测量和过程控制领域，l a b v i e w 提供了虚拟 仪器面板上所必须的大量显示或控制对象，如表头、旋钮、图表等。用户还可 以方便地将现有控制对象修改成适合自己工作领域的控制对象。l a b v i e w 用图 标表示功能模块，使用图标间的连线表示各种功能模块间传递的数据流，使用 数据流程图式的图形化语言编写代码。开发时开发者在开发环境的前面板定制 界面，后面会自动生成与前面板相应的功能图标，开发者只要按照自己的意图 将这些功能图标连接起来即可完成某种特定的功能。 2 、灵活的程序调试手段和高速编程效率。用户可在源代码中设置断点单步 执行源代码，在源代码的数据流上设置探针，还可在程序运行中观察数据流的 变化。l a b v i e w 采用编译方式运行3 2 位应用程序，这就解决了其他按解释方 式工作的图形化编程平台运行速度慢的问题，其运行速度与编译c 的速度相当。 3 、功能强大的函数库。l a b v i e w 提供了大量的基本函数库供用户直接调 用。从底层的v x i ，g p i b 、串口及数据采集板的硬件控制子程序到6 0 0 多个仪 器驱动程序，从基本的数学函数、字符串处理函数、数据运算函数、文件1 7 0 函数到高级分析库( 包括信号处理、窗函数、滤波器设计、线性代数、概率论与 数理统计、曲线拟合等) ，涵盖了虚拟仪器设计中几乎所有需要的函数。 4 、支持多种系统平台。在w i n d o w s2 0 0 0 n t 9 ) 【，p o w e rm a c i n t o s h ，h p u x ， s u ns p a r c ，c o n c u r r e n tc o m p u t e rc o r p o r a t i o n 的实时u n i 】【系统平台上，n i 公司都提供了相应版本的l a b v i e w ，并且在任何一个平台上开发的l a b v i e w 应用程序可直接移植到其他平台上。 5 、开放式的开发平台。l a b v i e w 提供d l l 接口，使用户能够在l a b v i e w 平台上调用其他软件平台编译的模块，从而在l a b w 环境下可以控制用户 自己开发的专用仪器硬件。l a b v i e w 提供了c i n 接口，可以使用户将自己用c 语言编写的程序集成到整个软件系统中来，用户可以根据项目的需要，在 l a b v i e w 现有的功能模块基础上定制自己的算法和功能。l a b v i e w 提供了与 l a bw i n d o w s c v i ( 针对c 语言的开发环境) 源代码相互调用的接口，提供对 o l e 的支持，可与其他应用软件一起构成功能更为强大的应用程序开发环境。 6 、网络功能。l a b v i e w 支持t c p i p 、动态数据交换( d d e ) ，程序间通讯i a c ( i n t e r a p p l i c a t i o nc o m m u n i c a t i o n ) 等网络功能。d a t a s o c k e t ( 数据套接口) 用统一 的高层a p i 封装了底层的t c p i p 通讯协议，用户无须编写大量的代码，便可以利 用d a t a s o c k e t 在不同的网络节点之间进行数据或信息的传输、共享，极大地简化 第三章虚拟仪器及其开发平台 用户的工作。可以用d a t a s o c k e t 建立一个智能远程测试节点，实现网络测试，并 可以通过d a t a s o c k e t 把测试结果发布给本地p c 。或者可以在本地建立一个测试 节点，通5 出d a t a s o c k e t 把测试结果发布给任何一个远程网络p c 节点。 l a b v i e w 提供了功能强大的企业级互连工具，包括s q l 工具、s p c ( 数据 与图表分析) 工具和i n t e m e t 工具。利用这些工具可以实现对数据库操作，对 s p c 的质量控制，可以利用各种最新的技术。 3 3 2l a b e w 的机器视觉开发软件包m a qv i s i o n 1 3 3 m 公司的l a b v i e w 机器视觉开发软件包i m a qv i s i o n 为图像处理提供了完 整的功能m 。它将4 0 0 多种功能整合到应用软件中，以实现功能强大的图像处 理解决方案。现在的图像采集用户可以利用l a b v i e w 图形化编程的优异性能和 高效率，利用c v i 对c 代码的控制能力和流畅性，开发出基于通用编程语言的解 决方案。 1 i m a qv i s i o n 的主要功能 m 公司的m 认qv i s i o n 软件包在l a b v i e w ，b r i d g e v i e w ，l a b w i n d o w s c ( 针对c 语言的开发环境) ，c o m p o n e n t w o r k s 以及其它a c t i v e x 容器应用程 序中加入了机器视觉和图像处理的功能。i m a qv i s i o n 中包含一套丰富的为 m m x 而优化的函数，可用来完成灰度、彩色以及二值图像的显示、处理( 统计、 滤波和几何变换) 、形状匹配、计算和测量等。最终用户、系统集成