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基于虚拟仪器的视觉检测系统的设计,机械毕业设计全套
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各位老师上午好 nts基于虚拟仪器的 视觉检测系统的设计 03电气技术 陈高峰 nts虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。 虚拟仪器是利用 PC计算机显示器 (CRT)的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用 PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由 I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统 nts虚拟仪器的特点 (I)在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器的硬件来完成仪器的功能。 (2)仪器的功能是根据需要由软件来定义的，而不是实现由厂家定义好的。 (3)仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要购买新的仪器。 (4)研制周期较传统仪器大为缩短。 (5)虚拟仪器开放、灵活、可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。 nts虚拟仪器与传统仪器相比 传统仪器 硬件是关键 价格昂贵 可重用率极低 只可连有限的设备 功能单一 ,操作不便 开发和维护费用高 技术更新周期长 虚拟仪器 软件是关键 价格低 可重用 ,重配置 可用网络联络周边仪器 自动智能化远距离传输 开发和维护费用低 技术更新周期短 nts 设计方法 本课题从实际应用出发，把计算机视觉技术和虚拟仪器技术结合起来，实现了工业产品的计算机视觉检测系统的开发。课题选用的LABVIEW软件是 NI公司的创新产品，是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。 ntsLABVIEW简介 LABVIEW (Laboratory Virtual instrument Engineering WORKBENCH )是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。 nts LABVIEW特点 1 LABVIEW采用了可视化编程技术 2 编制出的虚拟仪器程序执行效率高 3 LABVIEW支持的数据类型于其他高 级语言相同 4 它的功能使程序的开发调试变得更加容易 5 LABVIEW是开放式的开发平台 6 可以实现仪器测量网络化 nts系统工作流程图 nts采集到的图象 工业现场采集的图像nts机器视觉检测系统的物理结构包括以下几个部分：高频环形光源、 1394摄像头、 1394图像采集卡、装有机器视觉软件 LABVIEW的计算机及其显示器 IEEE1394是 IEEE标准化组织制定的一项具有视频数据传输速度的串行接口标准。 1394支持外设热插拔、同时可为外设提供电源，省去了外设自带的电源、支持同步数据传输。 nts程序的用户界面 nts检测结果显示 nts程序图 nts程序子程序 图 4.15 子 VI程序图 nts结论 在实际应用系统的设计中，考虑到系统的灵活性、可扩展性和性价比等多方面的因素，我们选择了虚拟仪器技术和计算机视觉技术相结合的方法，提出了用虚拟仪器的 LabVIEW软件控制下的机器视觉检测系统。这种测试系统不仅具有自动化程度高、速度快、可靠性和精确性好等特点，还节省了测试成本 nts展望 基于虚拟仪器的机器视觉系统是机器视觉技术领域中发展最为迅速的分支之一，它充分利用 PC的强大运算能力和发展潜力，利用软件来进行图像处理，具有很高的灵活性，它代表了机器视觉系统的发展方向。可以看到，基于虚拟仪器的机器视觉系统在今后相当长一段时间内都将是机器视觉技术领域中的一项热门课题，在我国的实际应用也将迅速普及。 nts谢 谢 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） I 摘 要 计算机视觉检测是现代工业检测的重要手段之一。随着现代制造技术的发展，传统的检测技术已经无法满足现代化大生产的要求。计算机技术和图像处理技术的发展使得计算机视觉检测技术得到了越来越广泛的应用。 本设计是关于对生产线上的电池夹的质量检测，是针对之前人为检测产生的种种误差和效率低下的缺点而提出的。而采用基于虚拟仪器的计算机视觉检测可以节约人力、物力，因此本设计采用美国 NI 公司的 LABVIEW 软件进行检测，提高了准确率和效率。 论文从硬件结构和软件组成两个方面介绍了虚拟 仪器的机器视觉检测 。硬件结构 部分，分析了 1394摄像头的 性能指标 和图像采集卡的一些参数 。软件是整个设计的关键 ，整个软件 实现对电池夹个参数进行测定，如对电池夹的对边、大孔、小孔 1，小孔 2，最后通过数据判定决定电池夹的去留。然后调试系统完成整个检测过程。整个系统 具有可靠、精度高、非接触和高速的特点。 关键词： 机器视觉 ；虚拟仪器； LABVIEW； 1394摄像头；图像采集卡 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） II ABSTRACT Computer vision testing is one of the important means of modern industrial testing. With the development of modern manufacturing technology, the traditional test has been unable to meet modern technology, large-scale production requirements. Computer technology and the development of image processing technologies enable computer vision testing technology has been increasingly wide application. The design is the battery clip on the production line quality testing prior to human testing is targeted at the various errors and shortcomings and the inefficiencies. And the introduction of computer-based virtual instrumentation visual detection can save manpower, material, the present design of a U.S. NI companies LabVIEW software testing, the accuracy rate and improve the efficiency. Papers from the hardware and software structure composed of two aspects of virtual machines introduced machine visual tests. Hardware structural elements, the first analysis of the 1394 video card performance indicators and some parameters of images collected. Software design is the key to the realization of the entire software for a battery clip parameters measured, such as the battery clip on margin, large circle, puncture wounds on one, two puncture wounds on the final decision through data to determine whether the battery clip. Then complete the whole testing process debugging system. The entire system is a reliable, high accuracy, non-contact and high-speed characteristics. Key word : machine vision; virtual instrumentation; LabVIEW; 1394camera; image collection. nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 虚拟仪器的概念 . 1 1.2 虚拟仪器的特点 . 1 1.3 虚拟仪器的国内外现状 . 2 1.4 虚拟仪器的发展趋势和种类 . 3 1.5 基于虚拟仪器的计算机视觉技术 . 6 1.6 本课题的目的和意义 . 7 第二章 LABVIEW 基础 . 9 2.1 LABVIEW特点 . 10 2.2 LABVIEW的开发环境 . 11 2.3 LabVIEW的运行机制及常用控件介绍 . 14 2.4 采用 LABVIEW 软件的虚拟仪器的原因 . 17 2.5 IMAQ Vision 介绍 . 18 2.6 IMAQ Vision 的使用环境 . 19 2.7 图像采集驱动软件 NI-IMAQ . 19 第三章 系统的总体设计和硬件设备 . 21 3.1 系统设计方案的提出 . 21 3.2 USB与 IEEE1394 . 22 3.3 1394摄像头 . 25 3.4 机器视觉光源的介绍 . 31 3.5 简单介绍 1394 图像采集卡 . 31 第四章 软件结构 . 34 4.1 前面板设计介绍 . 34 4.2 1394摄像头软件驱动 . 35 4.3 系统图片的读取及直角坐标系的建立 . 36 4.4 系统参数的测量 . 38 4.5 系统数据判定 . 39 4.6 子 VI介绍 . 41 总 结 . 42 致 谢 . 43 参考文献 . 44 附 录 . 46 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 虚拟仪器的概念 在过去的 20 年中， PC 机应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，其中最显著的一点就是虚拟仪器概念的出现与发展。虚拟仪器 (Virtual Instrument，简称VI)1是计算机技术、现代测控技术和电子仪器技术相互结合，渗透的产物。它是全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破。它的出现使测量仪器与计算机之间的界限消失，开始了测量仪器的新时代，是仪器领域的一次革命。 所谓虚拟仪器就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具 有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统 2。它是用来完善传统仪器的功能 ， 使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用电测量仪器。虚拟仪器的出现，使测量仪器与个人计算机的界线模糊了 3。 虚拟仪器是利用 PC 计算机显示器 (CRT)的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用 PC 计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由 I/O 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统 4。“虚拟”二字主要包含两方面的含义 : 第一、虚拟仪器的面板是虚拟的。 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断” ;被测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置 ； 测量结 果的“数值显示”、“波形显示”等 5。 传统仪器面板上的器件都是实物，而且是用手动和触摸进行操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的“图标”，“通”、“断”、“放大”等，对应着相应的软件程序6。这些软件已经设计好了，用户不必设计，只需选用代表该种软件程序的图形控件即可，由计算机的鼠标来对其进行操作。因此，设计虚拟面板的过程就是在面板设计窗口中摆放所需的控件，然后编写相应的程序。大多数初学者可以利用虚拟仪器的软件开发工具， LabWindows/CVI, LabVIEW 等编程语言，在短时间内轻松完成美 观而又实用的虚拟仪器前面板的设计。 第二、虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。 在以 PC 计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能，因此有在硬件平台确定后“软件就是仪器”的说法。它体现了测试技术与计算机深层次的结合。 1.2 虚拟仪器的特点 独立的传统仪器，例如示波器和波形发生器，价格昂贵，且被厂家限定了功能，只能完成一件或几件具体的工作，因此用户通常都不能对其加以扩展或自定义其功能。仪器的旋钮和开关、内置电路及 用户所能使用的功能对这台仪器来说都是独一无二的，另nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 2 外开发这些仪器还必须要用专门的技术和高成本的原部件，从而使他们身价颇高且很不容易更新，而虚拟仪器测试系统的功能可以由用户根据需要自行设计软件来定义或扩展，而不是只能由厂家事先定义且固定不可变更。这样，用户不必购买多种不同功能的传统仪器，不必购买昂贵的集多种功能于一身的传统仪器，也不必不断购买新的仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互连，用户只需改变软件程序就可不断赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚 拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给仪器使用者带来无尽的收益，而且使用虚拟仪器解决方案可以大副降低资金成本、系统开发成本和系统维护成本，同时还为用户加快产品上市时间并提高产品质量。虚拟仪器的特点 726可归纳为 : (I)在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器的硬件来完成仪器的功能。 (2)仪器的功能是根据需要由软件来定义的，而不是实现由厂家定义好的。 (3)仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要购买新的仪器。 (4)研制周期较传统仪器大为缩短。 (5)虚拟仪器 开放、灵活、可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于 :“虚拟仪器的关键是软件”。 1.3 虚拟仪器的国内外现状 目前，国外的计算机视觉设备己得到了广 泛的应用，“视觉系统国际公司“的市场调研报告指出，近年来北美的计算机视觉设备市场的年增长率均保持在两位数。随着CCD 器件技术和计算机技术的迅速发展，发达国家的计算机视觉工业检测设备的功能在不断完善，性能在不断提高，与视觉技术相关的供应商和系统集成商也越来越多 8。 计算机视觉设备的软硬件开发系 统从结构上可分为两大类 :基于 PC的系统和基于专用集成电路 (AS IC)的系统，前者的主要供应商有美国国家仪器 ( National Instruments，以下简称 NI)公司和 Data Translation 公司 25;此类系统的特点是应用软件的开发是基于通用计算机语言 (如 VC 和 VB)加上专门图像处理工具的环境，因此具有很强的功能和编程灵活性，以及良好的开放性和人机界面，同时系统总体成本较低，可适用不同用途的复杂系统的开发 ;NI 公司还提供一种开发效率很高的图形编程语言开发环境。而基于 ASIC的视觉开发系统的 主要供应商有日本的松下公司、美国的 COGNEX 公司和德国的西门子公司，此类系统的特点是图像采集和处理系统集成在一起，体积小和掌握容易，并可通过 PLC 构成测控网络。此外，国外还有许多生产专门行业计算机视觉工业检测系统的公司，例如专门生产电路板视觉检测系统的美国视觉检测技术 (Vision Inspection Technology)公司和日本的马兰士公司。 现在国内计算机工业视觉检测设备的应用也越来越多，但是其中绝大部分是进口产品，这些设备价格昂贵，而且通常不支持二次开发，用户无法根据自己的需要扩展系统的功能和 用途。国内比较专业的视觉检测设备开发集成商只有北京四通公司机器视觉技术开发中心、西安海泰电子有限公司和美资的上海明世科技公司等不多的几家，他们代理国外一些公司的产品，也根据一些生产企业的需求开发专用的视觉检测设备。此外，国内的一些高校、科研单位和企业近年来也针对某些应用项目研制专用视觉检测设备，但从性能指标来看，总体水平不高。可以说，在这一领域国内基本上还处于起步的阶段，尚未见具有自主知识产权和品牌的、能进行规模化和系列化生产的专业生产厂家。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 3 由于我国还是发展中国家，虽然不少企业迫切需要工业视觉检测设备，但 大部分的企业没有能力购置价值昂贵的进口设备，他们期待质优价廉的国产设备。 因此，我国计算机视觉工业检测设备有相当大的市场潜力。显然，谁占有这个领域的先机，谁就更容易树立自己的品牌，取得更大的发展空间。 1.4 虚拟仪器的 发展趋势 和种类 1.4.1 虚拟仪器的演变 一计算机是动力 图 1.1 虚拟仪器的演变 如图所示，电子测量仪器经历了由模拟仪器、带 IEEE488 接 口 的智能仪器到全部可 编程 VI 的发展历程。其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动 力。近年来，计算机的处理能力一直按指数率提高，发展之快己把传统仪器远远抛在了后面。比如，当 Pentium 处理器几乎刚面市的时候， Pentium II 处理器的发展计划就已经展开。此外，功能强大的 RISC 处理器 (包括 PowerPC ,Sparc, Alpha 和 PAIZISC)和先进的操作系统 (如Windows NT, Solaris, Next Step 等 )在台式机中得到了迅速发展。计算机具有仪器所需要的、最先进及性能价格比最好的显示与存储能力。高分辨的图形显示与数百兆的硬盘业己成为标准配置 8。同时，计算 机生产厂商之间的激烈竞争保证了计算机在显示、存储能力与处理性能等方面仍将继续高速发展。 值得一提的是，由于计算机技术、特别是计算机总线标准的发展导致 VI 在 PXI和 VXI(VMEbuse Xtentions for instrumentation)两个领域中得到了快速的发展，它们将成为未来仪器行业的两大主流产品 。 具有上百 MHz、甚至 1 GHz 采样率，高达 24bits 精度的 DAQ 板已经面市。 AID转换技术，仪器放大器、抗混叠滤波器与信号调理技术的进一步发展使 DAQ 板成为最具吸引力的 VI 选件之一。模块化的 Delta-sigma A!D 转换器和仪器放人器可在 3 微秒 内完成 12bits 精度下的参数设置，抗混叠滤波器可按 1/6 倍频程衰 减 90dB，多通道、完全可编程的信号调理等性能与功能指标仅仅是 DAQ 板先进技术性能中的几个例子。 9 VXI 是结合 GPIB 仪器和 DAQ 板的最先进技术而发展起来的高速、多厂商、开放式工业标准。 VXI 技术优化了诸如高速 AID 转换器、标准化触发协议以及共享内存和局部总线等先进技术和性能，成为可编程仪器的新领域，并成为电子测量仪器行业目前最热门的领域。现在已有数百家厂一商生产的上千种 VXI 产品面 市。 二 .软件是关键 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 4 给定计算机的运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用 VI 的关键在于应用软件，这是因为应用软件为用户构造或使用 VI 提供了集成开发环境、高水乎的仪器硬件接口和用户接口。基于软件在 VI 技术中的重要作用，美国国家仪器公司 (National Instrument,简称 NI)提出的“软件即仪器” (The Software is the Instrument)形象地概述了软件在 虚拟仪器 中的重要作用。 应用软件最流行的趋势之一是图形化编程环境。最早应用图形化编程技术开发 VI始于 NI 公司 I98b 年推出的 LabVIEW 软件包。目前面市的图形化 VI 框架有 NI 公司的LabVIEVw 和 HP 公司的 VEE。应当指出，图形化开发环境与图形化 VI 框架是不同的，其主要区别在于用其 VI 组件开发可复用原码模块的能力，后者的这些原码模块必须具有被其它原码模块继承性调用的能力 （ 参见 下 图 ）。 图 1.2 虚拟仪器应用软件的可继承性 通过应用程序提供的仪器硬件接日，用户可以透明的方式操作仪器硬件。这样，用户不必成为 GPIB、 VXI、 DAQ 或 RS232 方而的专家，就 可 以方便、有效的使用这类硬件。 控制诸如万用表、示波器、频率计 等特定仪器的软件模块就是所谓的仪器驱动程序 (instrument drivers)，它现在己经成为应用软件包的标准组成部分。这些驱动程序可以实现对特定仪器的控制与通信，成为用户建立 VI 系统的基础软件模块。而以往用户必须通过学习各种仪器的命令集、编程选项和数据格式等才能进行仪器编程，采用标准化的仪器驱动程序从根本上消除了这种仪器编程的复杂过程，使用户能够把精力集中于仪器的使用而不是仪器的编程。正是由于仪器驱动程序的这些重要作用，使它成为应用软件供应商之间的一个土要竞争领域 27。这种竞争给用户带来的一个方便 之处是儿乎任何一个带标准接口的仪器都有现成的驱动程序可供利用。如购买 NI 公司 LabVIEW 软件的用户 可 定期得到一张免费光盘，该光盘包括世界上六十多家仪器公司的六百多种仪器的原码驱动程序。 除仪器硬件接口 (即仪器驱动程序 )是 VI 应用软件的标准模块之外，用户接口 开发工具 (User Interface Development Tools)不仅是通用语言的标准组成部分，而且也已成为VI 应用软件的标准组成部分。这是因为在传统的程序开发中，用户接口的开发一直是最耗时的任务，而且如何编写从用户接口响应输入、输出 的应用程序，其复杂程度无异于学习一种新的语言。而现在 VI 软件不仅包括诸如菜单、对话框、按钮和图形这样的nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 5 通用用户接口属性，而且还应有象旋钮、开关、滑动控制条、表头、可编程光标、纸带记录仿真窗和数字显示窗等 VI 应用接口属性。这些属性即使应用象 Visual Basic for Windows和 Visual C+ for Windows这些推出不久的面向对象语言来开发 VI的用户接日也是非常困难的。 虚拟仪器与传统仪器相比，最直观的区别就是与用户进行交互的面板。传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作 元件，易于导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板布置的简捷化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求，设计仪器面板。 从表 1. 1 可以看出与传统仪器相比，虚拟仪器具有绝对的优势。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。 表 1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较 1.4.2 虚拟仪器的发展趋势 随着制造技术的发展，工业中复杂或微小零件的产量会越来越大，质量要求也会越来越高，例如电子制造行业，其产品向小型化、微型化和规模化方向发展，计算机视觉检测设备肯定在测量精度和速度方面有越来越高的要求，需要对产品进行实时、在线和运动状态下的连续检测 10。因此，计算机视觉技术往往综合利用最新的光电技术、图像处理技术和计算机技术，例如利用新型的高分辨率、高速的 CCD 数码摄像头和高效率的图像处理新算法，以及高性能的计算机软硬件资源。一些特 殊用途的视觉检测设备，例如基于红外线、 X 射线和超声波成像的计算机视觉检测设备的需求将会逐步增加。对于大规模的生产，通常要对生产线上多个工序进行同步连续检测，所以视觉检测系统需要具备分布式的联网能力。因此，计算机视觉、运动控制和网络通讯等先进技术的结合也是该领域的发展趋势之一。此外，由于工业视觉检测设备市场的竞争，计算机视觉检测设备的价格必然呈下降的趋势，所以工业视觉检测设备的生产商会尽量开发有自主知识产权的、能降低生产成本的新技术，尤其是面向国内的市场的产品，只有质优价廉才能赢得大的市场份额。 工业视觉检 测设备在国内有很大量的需求，估计在最近的几年内会有越来越多的专门从事此类产品生产的国内厂商出现，部分厂商能形成系列化和批量化生产的能力。另一方面，由于计算机技术的普及，以及虚拟仪器技术和计算机视觉技术逐步推广，也会有愈来愈多的大中型企业有能力采取自行开发的方式，研制适合本企业生产需要的低成本和不太复杂的专用工业视觉检测设备。总的来说，未来的几年将是我国计算机视觉nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 6 技术和产品迅速推广应用的时期。 1.4.3 虚拟仪器的种类 虚拟仪器有很多分类 24： 第 一 类 :并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并 行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国 LINK公司的 DSO-2XXX系列虚拟仪器，它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式 PC机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。 第 二 类 :PC总线 插卡型虚拟仪器 这种方式 借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件相结合，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受 PC 机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外， ISA总线的虚拟仪器已经淘汰， PCI 总线的虚拟仪器价格比较昂贵。 第三类 :GPIB总线方式的虚拟仪器 GPIB技术是 IEEE488 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的 GPIB 系统由一台 PC 机、一块 GPIB接口卡和若干 台 GPIB 形式的仪器通过 GPIB 电缆连接而成。在标准情况下，一块 GPIB接口可带多达 14台仪器，电缆长度可达 40米。 GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。 GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。 第 四 类 :PX I总线方式虚拟仪器 PXI总线方式是 PCI 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。它增加了多板 同步触发总线的技术规范和要求，增加了多板触发总 线，及用于相邻模块的高速通讯的局部总线。 第五 类 :VXI总线方式虚拟仪器 VXI总线是一种高速计算机总线 VME总线在 VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的 RFIlEM1屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展， VXI 系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器 及嵌入式控制器，造价比较高。 综上所述，对于虚拟仪器的发展而言，计算机是载体，软件是核心，高质量的 A/D采集仁及调理放大器是关键。 1.5 基于虚拟仪器的计算机视觉技术 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，产品的测试问题己成为大多数厂家关注的焦点。在纷繁的测试产品中，虚拟仪器己经成为越来越多测试人员的最佳选择，这是因为它能更迅捷、更经济、更灵活nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 7 地解决测试问题 11。随着驱动程序标准化及软件开发环境的发展，代码复用成为仪器编程中的基础，这意味着可以避免仪器编 程过程中的大量重复劳动，从而大大缩短复杂程序的开发时间 :可以用各种不同的模块构造自己的虚拟仪器系统，选择统一的测试策略，这不仅会节省大量人力物力，而且己有的测试投资在未来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 (通常叫做虚拟前面板 )操作这台计算机，就象在操作自己定义、自己设计的一台单个传统仪器一样。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源 (如微处理器、内存、显示器等 )和仪器硬件 (如 A/D , D/A、数字I/O、定时器、信号调理等 )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。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求 12。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己有的硬件和软件资源。 从用户的观点来讲，今天的测试领域面临着三大主要挑战 测试成本不断增加、测试 系统越来越庞杂以及对测试投资的保护要求越来越强烈。虽然增加产品的电气化程度可以增加其功能与性能，但所增加的功能与性能都需要通过测试来保证其质量。因此，随着产品电气化程度的增加，测试成本也在不断增大。现在许多单位有 各种各样、互不相同的测试系统，这些测试系统往往既不兼容，又不能共享软、硬件资源 13。即使在同一个单位，这种状况也是屡见不鲜。造成这种状况的根源在于缺乏统一的测试策略 其问题不全出在用户单位的管理上，而在于传统仪器无法向用户提供统一的测试策略。在产品的研究、开发和生产的全过程中，不同阶段有不同的测试要求。在研究、开发阶段，技术责任单位不仅需要用高性能的测试设备来检查其设计是否达到技术规格书上的要求，而且还要确定其安全裕量是否足够。在生产阶段对测试系统的主要要求是易于使用和测试快捷。而军队现场使用的测试设备 则要求便携、坚固，并具有快速、准确的诊断能力。这势必使用户的测试投资难于得到有效的保护 14。 面对这些挑战，用户最可能的做法是选用标准化硬件平台 (如 VXIbus 与统一的计算机平台 )。硬件的标准化可以部分地降低测试成本，但作用是非常有限的。而使用虚拟仪器则可以大大缩短用户软件的开发周期，增加程序的可复用性，从而降低测试成本。而且，由于虚拟仪器是基于模块化软件标准的开放系统，用户可以选择他认为最适合于其应用要求的任何测试硬件 1516。例如，用户完全可以自己定义最适合于他的生产线上用的低成本测试系统， 或为研究与开发项目设计高性能的测试系统，而这些系统的软件或硬件平台可能是相同或兼容的。简而言之，采用基于的虚拟仪器统一测试策略将有助于用户面对当今的测试挑战而在激烈的竞争中处于优势地位 17。 1.6 本课题的目的和意义 随着我国经济的持续增长和工业产品精密程度的提高，以及对产品数量和质量要求的提高，一些传统的检测方法在速度、精度和成本等方面己经无法完全满足生产的要求。计算机视觉检测可以高速、可靠和不间断地对工业产品的质量问题进行准确的检测，所以能取代以往费时费神但又无法保证检测质量的人工检测方 法。实际上，近年来已有多个企业单位要求我们开发专用的工业视觉检测设备 17。基于 PC 的计算机视觉检测设备实质上就是基于虚拟仪器技术的设备。虚拟仪器技术就是基于 PC 的测控技术，它融合了最新的传感器、电子测量和计算机等技术，使得视觉检测设备具有前所未有的速度、灵活性、测量精度和资源的可重用性，采用先进的虚拟仪器技术还可以大大缩短产品的nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 8 开发周期。此外，通过计算机网络可获得丰富的信息亦有助于我们解决各种各样的技术问题。 本课题的目的是在研究计算机工业视觉检测技术的基础上，理论联系实际，通过具体的科技开发项目，熟练 掌握工业视觉检测系统的方案设计和软件开发技术 ;同时探讨能有效地降低成本的视觉检测方法，并开发出能适合我国国情的高性价比的工业视觉检测应用系统，帮助企业解决在该领域的实际问题，推动我省计算机视觉检测技术的推广应用。 在各个领域的工业生产中，计算机视觉检测技术可以在降低成本、保证产品质量和提高生产率等方面发挥重要的作用，因此计算机视觉技术的研究和推广对促进我国经济发展具有重要的意义，特别是具有自主知识产权的计算机视觉应用技术的研究和推广，以及高性价比的国产化设备的开发都有相当大的经济效益和社会意义。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 9 第二章 LABVIEW 基础 LabVIEW ( Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench，实验室虚拟仪器工程平台 )是美国 NI 公司推出的一种基于 G 语言 (Graphics Language，图形化编程语言 )的虚拟仪器软件开发工具 28。美国国家仪器公司在 20世纪 80年代最早提出虚拟仪器的概念，同时推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包 LabV1EW 。 NI公司宣称“ The software is the instrument，即软件就是仪器 18。虚拟仪器利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。虚拟仪器的组成一般由个人计算机或者工作站、软件以及仪器组成。 National Instruments(美国国家仪器有限公司，简称 NI)创立于 1976 年，总部设于Texas州首府 Austin，是一家测量行业的上市公司。 NI公司自己有一个编程团队，其任务是致力于当时开发用于控制仪器的 BASIC程序。他们敏感地注意到了仪器编程工作压在工程师和科学工作者身上的负担。显然，需要开发仪器软件程序的新工具。 1986 年10月份， LabVIEW1.0面世。随着 LabVIEW 的诞生， NI提出“软件就是仪器”的口号，开辟 了“虚拟仪器” 的崭新测量概念。 2006 年， NI 公司发布了 LabVIEW 的最新版本LabVIEW 8.0 Express，其开始界面如 下图 所示， 本人 也正是在这个版本的 LabVIEW 平台上 ，进行了本论文的研究内容 29。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 10 图 2.1 LABVIEW 启动界面 2.1 LABVIEW 特点 图形化的仪器编程环境 LabVIEW 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， LabVIEW 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 。 灵活的程序调试手段 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，在程序运行中观察程序流的变化。 内置的程序 编译器 LabVIEW 采用编译方式运行 32 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 . 直观明了的前面板用户接口及流程图式的编程风格 LabVIEW 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语言编写代码。 支持多种系统平台 LabVIEW 支持多种系统平台。在 Windows 2000/NT/9x13.x , PowerMacintosh, HP-UX, SUN SPARC, Concurrent Computer Corporation 的实时 Unix 系统平台上， NI 公司都提供了相应版本的 LabVIEW，并且在任何一个平台上开发的 LabVIEW 应用程序可直接移植到其他平台上 。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 11 功能强大的函数库 LabVIEW 提供了大量的函数库供用户直接调用。从底层的 VXI, GPIB,串口及数据采集板的硬件控制子程序到 600 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 I/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 )，涵盖了仪器设计中几乎所有需要 的函数 开放式的开发平台 LabVIEW 提供 DLL 库接口和 CIN 接口，使用户能够在 LabVIEW 平台上调用其他软件平台编译的模块，从而在 LabVIEW 环境下可以控制用户自己开发的专用仪器硬件 ;LabVIEW 提供了与 LabVIEW/CVI 源代码相互调用的接口，提供对 OLE 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。 网络功能 LabVIEW 支持 TCP/IP、动否数据交换 (DDE), IAC 等网络功能 1920。 Data Socket 用统一的高层 API 封装了底层的 TCP/IP 通讯协议，用户无须编写大量的代码，便可以利用 Data Socket 在不同的网络节点之间进行数据或信息的传输、共享，极大地简化用户的工作。可以用 Data Socket 建立一个智能远程测试节点，实现网络测试，并可以通过 Data Socket 把测试结果发布给本地 PC。 或者可以在本地建立一个测试节点，通过 Data Socket 把测试结果发布给任何一个远程网络 PC 节点 。 LabVIEW 提供了功能强大的企业级互连工具，包括 SQL 工具、 .SPC 工具和 Internet工具 .利用这些工具可以实现对数据库操作，对 SPC 的质量控制，可以利用各种最新的技术。 LabVIEW 的图形化程序设计是基于现代软件的面向对象技术和数据流技术发展起来的。数据流程序设计表示只有在所有输入都有效时，一个对象才开始执行。 LabVIEW 与仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作，是直观易学和高效率的开发环境。流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的，而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关，构建和测试程序就可以节省不少时间。使用流程图方法可以实现内部的自我复制，可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。 LabVIEW 集成了很多仪器硬件驱动程序库，如 GPIB, VXI, PXI，基于计算机的仪器 RS 232/485 协议、插入式数据采集、模拟 /数字计数器 I/O、信号调理、分布式数据采集、图像获取与计算机视觉、运动控制、 PLC 与数据记录等。与传统的编程方式相比使用 LabVIEW 设计虚拟仪器，可以提高效率 4-10 倍 18。同时一，利用其模块化的特点，用户可以在很短的时间内构建、设计和更新自己的虚拟仪器系统。 用 LabVIEW 设计的虚拟仪器可脱离 LabVIEW 开发环境，用户最终看见的是和实际硬件仪器相似的操作面 板。 LabVIEW 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，设计者利用它可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统以及构造自己的仪器面板，而无需进行任何烦琐的程序代码的编写。在 LabVIEW 基本平台上可以安装各种专业软件包，以扩充其开发能力。 2.2 LABVIEW 的开发环境 1 开放式环境 虽然 Labview 已 经 提供了诸多应用系统所需 要 的工具，但 它还 是一个 开 放 式的 开 发nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） 12 环境 。软件的标准化 取 决 于 它 与其 它 软件、测量和 控 制硬件及一 些开 放 式工业标准的 兼容 性， 因 为这 些都决 定了 它 与出自不同生产厂家产 品 的可共用 性。如 果选择 的软件 符 合了这 些 标准， 您 就可以 保 证 您 的应用系统和 整 个公司 都 充分利用了来自不同厂家的最优秀 的产 品 。 此外 ，与 开 放 式商业标准同 步 发展能 帮助您 降低 整 个系统成本。 目前 ，有 许 多 第三 方软硬件生产厂家在 开 发并 维护 成 百 上 千 个 Labview 函 数 库 及仪器驱动程 序 以 帮助 用户能 借 助 Labview 轻松 使 用他们的产 品 。然而，这 还 不是 Labview 应用系统 相连接 的 唯 一 办法 。 Labview 还 提供与 ActiveX 软件、动 态链 接库 （ DLLs）及其 它开 发工具的共 享 库之间 的 开 放 式 连接 。 此外 ， 您还 可以用 DLL、可 执 行 文件的方式或 使 用 ActiveX 控 件 调 用 Labview代 码 。 Labview同样提供了 广泛 的 通讯 及数据 存储 方式，如 TCP/IP, OPC, SQL 数据 库连接 ，和 XML数据 存储格 式。 2 降低成本、 确保投资 因 为 您只 需一台 安装 了 Labview 的计算机 即 可 开 发 无 数的应用程 序 、完成 各种任务， 谁 还 能 否 认 这是一套多才多 艺 的系统 呢 ？ 它 不 仅 多才多 艺 ， 还非 常 节省 成本。用Labview开 发的虚拟仪器 证明 是最 经 济 的 选择 。一方面， 只 需 极 低的系统 开 发成本， 另一方面，从 长 远 的来 看 它也 能 保 证 投资资金 的 安 全、不 浪费 。 当您 的测量需 要 发生变化时 ， 您无 需 购 置 新的仪器 设 备 即 可 轻松 对 其进 行修改 或 扩 展。 您 可以 开 发完 整 的仪器 库以备 后 用，其 费 用 远远 低于 购买 一台传统的商用仪器 3.分布式开发环境 您 可利用 Labview轻松 开 发分 布 式应用程 序 ， 即便 是进 行 跨 平台 开 发。利用 简单 易用的 服 务器工具， 您 可以 将 需 要 密 集 处理 的程 序下 载 到其 它 机器上进 行更快 速 处理 ， 也可以创建 远 程 监控 应用系统。强大的 服 务器
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