毕业设计20基于虚拟仪器的视觉检测系统的设计3
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机械机电毕业设计论文
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毕业设计20基于虚拟仪器的视觉检测系统的设计3,机械机电毕业设计论文
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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 电子测量仪器的发展历史 电子测量仪器发展至今，大体可分为四代 :模拟仪器、分离元件仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器 1。 (1)第一代模拟仪器 这类仪器在某些实验使人能看见，是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等，这类指针是仪器借助指针来显示最终结果。 (2)第二代分立元件式仪器 当 20 世纪 50 年代出现电子管、 60 年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子电路为基础的第二代测试仪 器一一分立元件式仪表。 (3)第三代数字化仪器 20 世纪 70 年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器一一数字式仪器。这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。 (4)第四代智能仪器 随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理器为核心的第四代仪器一一智能式仪表迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能自动测试，又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑 力劳动，习惯土称为智能仪器。其缺点是它的功能块全部是以硬件 (或固化的软件 )的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面己经冲破了传统仪器的概念，一种全新的仪器结构概念导致了新一代仪器一一虚拟仪器的出现。 1.2 虚拟仪器的概念 虚拟仪器 (virtual instrumentation)是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是口前仪器发展的一个 重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -2- 装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大， 目 前己经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图 (图 1.1)反映了常见的虚拟仪器方案。 1.3 虚拟仪器的特点 在传统概念的测量中，所采用的仪器大多是实物，他们自成体系，具有刻度盘、开关等固定的用户界面特征 ;传统的仪器设备不能与计算 机自接接口，因而配合数据采集与数据处理 十 分困难 ;传统仪器体积庞大，多种数据测量常常感到捉襟见肘，手足无措。如常常见到硬件 工 程师的 工 作台上，堆满了纷乱的仪器，交错的电缆和繁多的待测器件，显然传统仪器己经不能满足现代测试的要求。 现在，在集成的虚拟测量环境中，见到的是整洁的桌面，有序的操作，小但使测量人员从繁杂的仪器当中解放出来，而且还 可 以实现数据的自动测量、自动记录、自动处理。 虚拟仪器与传统仪器相比，有以下几个特点 : (1)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。 由 此导致许多认读与操作错 误。虚拟仪器与之则不同，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洁化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示 元 件和操作 元件的种类与形式不受标准件和加上 工 艺的限制，而 由 编程来实现，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 2 。 (2)在通用硬件平台确定后，山软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 (3)仪器的功能是用户根据需要有软件来定义的，而不是 事先由厂 家定义好 的。 (4)仪器性能的改进和功能扩展只需相关软件设计更新，而不需要购买新的仪器。 (5)研制周期较传统仪器大为缩短。 (6)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。 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，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和上业生产，将产生不 可 估 量的影响。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -3- 1.4 虚拟仪器的种类 虚拟仪器的发展过程有两条线 : (1)适合大型高精度集成系统的 GPIB-VXI-PXI 总线方式。 GPIB 于 1978 年问世，VXI 于 1987 年问世， PXI 于 1997 年 问 世。 (2)适合于普及型的廉价系统，有广阔应用发展前景的 PC插卡并口式串口 USB方式。PC 插卡式于 80 年代初问世，并行口方式于 1995 年问世，串口 USB 方式于 1999 年问世。而虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型 3: 第一类 :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 4。 第二类 :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、 逻辑 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 :VXI 总线方式虚拟仪器 5 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。 第五类 :PXI 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。 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 二及调理放大器是关键。 虚拟仪器与传统仪器的比较 6 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nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -4- 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 1.5 虚拟仪器的发展现状 从 1989 年远程虚拟实验室概念的提出至今 16 年的时间，以其诱人的应用前景吸引了大批专家学者的注意力，各国均在大力开发，而且己经取得很大的成果 7。 虚拟实验室的研究，国际始于 20 世纪 80 年代末。麻省理上学院的 Web Lab 是一个在线实验室，于 1988 年开发并投入使用 :90 年代，美国政府投入巨大财力在海洋学、天体物理学、分子生物学以及核科学四大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范上程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。 同时在美国各大高校也在进行着虚拟实验室的研究。代表性的成果有 :美国斯坦福大学的远程光学实验室。学生 可以远程登陆该光学实验室做实验 。实验室向用户提供监听和控制功能，及实验室的日程安排，参考资料和分析 工 具。利用 NI-IMAQ 软件 工 具和NI PCL-1408 图像采集卡还 .可 以植入动态图像。美国伊利诺伊 (IIIinois)大学的Nmrscope 系统。通过 Internet 研究人员在任何地方都能使用伊利诺伊大学的仪器，只要向该大学递交一个样品，经授权后就 可 以与服务器联机，然后自行填写设置仪器参数和功能清单，点击屏幕上的按钮就 可 以进行实验，生成的图像会被传回到研究人员的计算机屏幕上。美国巴尔的摩约翰霍普金斯大学的化学 工 程系的卡尔威教授(MichaelKarweit)在电脑网络上建立了一个“虚拟实验室”，在电脑上模拟各种实验，让工 程系的学生 可 以通过电脑网络来做实验，尝试解决 工 程上遇到的各种问题 8。 加拿大达尔豪西大学的远程激光实 验室系统 工 程学和自然科学学生能随时随地登录虚拟的激光实验室作 十 个激光试验。德国 Ruhr 大学的虚拟自动化实验室(http:/www.esr.Ruhrunibochumde/vclab)，是一个有关控制 工 程的学习系统，它通过直 观的三维实验场景视觉效果，依赖各虚拟实验设备的仿真特性，实现对虚拟实验的交互式操作。另外还有其它典范，如西班牙大学的电子仪器虚拟 工作台、卡耐 基梅隆大nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -5- 学的虚拟实验室、意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室、美国里海大学化学系的套色复制一分光计 (GC-MS)远程虚拟实验室、瑞士联邦理上学院的 增强式教学系统、德国柏林大学的试验数学实验系统、新加坡国立大学的远程示波器实验和压力容器实验。 目前，通过网上搜索还 可 以发现其它很多虚拟实验系统，如虚拟汽车设计系统、虚拟外科手术实验系统、虚拟 工 程原型设计实验系统等，这里不再一一列举 9。 国内远程虚拟实验室的组建， 墓 前从网上 可 查到的信息和各院校开放的对外服务看，清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统 :四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将多台仪器集成于一体组成虚拟仪器系统 ;长沙电力学院业开展了电路理论网上教学的虚拟实 验室系统 :华中科技大学机械学院建立了一个 工 程测试网上虚拟实验室，创建一个免费网上测试技术，故障诊断技术，学习交流的网站，并提供了有限的虚拟实验服务，学生 可 以通过联网计算机终端来进行仿真实验。北京大学、复 旦 大学、北京航空航天大学、上海交通大学、哈尔滨上业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、广州暨南大学、华南理上大学和浙江大学等高校己陆续在网上设立了自己的电子教室。同时，在军 事 院校虚拟实验室的建设也得到了应有的重视，如国防科技大学、海军 工 程大学、空军二航院和信息 工 程大学等四大院校也开展了这方面的研究，并取得了 很好的成果。 1.6 本课题设计的内容 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。计算机视觉检测具有可靠、精度高、非接触和高速的特点 10。 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。本课题要对计算机视觉检测技术所涉及的 CCD 摄像头、照明光源进行了分析和设计；另外，结合实际把边缘检测和模板匹配等数字 图像处理技术应用到视觉检测当中。 本课题选用的 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。具有开发周期短、可重用性、使用方便灵活等优点。本课题还选用 NI 的图像处理工具软件包 IMAQ Vision Builder 和 IMAQ Vision，与其它一些交互式视觉开发工具不同， IMAQ Vision Builder 无需编程便可以产生计算机视觉与图像处理功能的程序块 。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -6- 第二章图形化编程语言 LabVIEW 2.1 LABVIEW 简介 Lab VIEW (Laboratory Virtual instrument Engineering)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。 Lab VIEW 集成了与满足 GPIB, VXI、 RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP, ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它 可 以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣 11。 图形化的程序语言，又称为“ G语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽 可 能利用了技术人员、科学家、 工 程师所熟悉的术语、图标和概念，因此， Lab VIEW 是一个面向最终用户的 工 具。它 可 以增强你构建自己的 科 学和 工 程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时， 可 以大大提高上作效率。利用 LabVIEW,可 产生独立运行的 可 执行文件，它是一个真正的 3 2 位编译器。像许多重要的软件一样，Lab VIEW 提供了 Windows, UNIX, Linux, Macintosh 的多种版本 12。 2.1.1 LabVIEW 特点 与其它编程语言相比， LabVIEW 具有以 下 特点 : 1) LabVIEW 采用了“所见即所得”的可视化编程技术，在前面板上提供了工业领域多种显示和控制对象，如开关、旋钮、 LED 指示灯、仪表、图形等。同时，用户还可以对这些对象进行修改以适合小同需要。 LabVIEW 平台内部集成了大量功能强大的函数库用户直接调用，从底层 VXI, GPIB,串口及数据采集板的控制 r 程序到大量的仪器驱动程序，从基 本 的功能函数到高级分析库 、涵盖了仪器设计中所需要的几乎所有函数 13。 2) LabVIEW 内置的程序编译器采用编译方式运行 32 位应用程序，解决了其它按解释方式土作的图形编程平台速度慢的问题，其速度大体相当于编译 C 的速度，因此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 (如 C 语言 )相同，包括 :数值型，文木型，布尔型，串和簇 (相当于 C 语言中的结构 )，同时它和 C 语言一样支持顺序、循环、选择等结构，具有自动报错和处理功能。 4)在 LabVIEW 环境卜也可以设定程序断点，进行带数据探针的单步运行，加 亮执行程序进行数据流追踪。这些功能使程序的开发调试变得更为容易。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -7- 5) LabVIEW 是开放式的开发平台，可以通过 DLL(动态链接库 )接口和 CIN(代码接口节点 )，调用其它编程软件 (如 VC+, C)平台编译的模块。 6) LabVIEW 提供对 TCP/IP, UDP 等网络协议的支持，可以实现仪器测量网络化。 2.1.2 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， 14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。 2.1.3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 15。 2.1.4 支持多平台 大 部 分计算机 使 用的 都 是 微 软公司的 Windows系 列操 作系统。然而， 也 有 些 其 它 的选择对 某 些特 定应用来 说 有着显而易 见 的优势。 随 着计算机 运 算功能的 增 强和 体 积 的 缩小 ， 实时 和 嵌 入式 开 发的应用在多数工业 领域均 有迅 猛增长 。这 使得减少 不 断 更换开 发平台所带来的 损失 变 得格外 重 要 ，而 选择 正 确 的软件 则 是 解决 这个 问题 的关键所在。 Labview让您无 需 顾 虑 重重： 它 可 运行 在 Windows 2000, NT, XP, Me, 98, 95和 嵌入式 NT 环境下 ,同 时还 支 持 Mac OS, Sun Solaris 与 Linux。 通 过 Labview实时 （ Labview Real-Time） 模块 ， Labview还 能 够 编 译 代 码 ， 让 程 序 在 VenturCom ETS实时操 作系统中运行 。 考虑 到程 序 兼 容 性的重 要意义 ， NI公司的 LabVIEW继续支 持 较早版 本的 Windows, Mac OS, 和 Sun 操 作系统。 LabVIEW是独立于平台的，在一 种环境下 编 写 的虚拟仪器 程序 （ 简 称 VI），能 够 透明 地 转 移 到其他 LabVIEW 平台上。 您 所需做的， 只 是在新 环境下打 开 这个 VI即 可。 因 为 LabVIEW 应用程 序 能 跨 平台 使 用，所以可以 确 定 您 今天 的工作在明天 也 同样 适 用。 随 着新计算机技术 日 新 月异 的发展， 您还 可以 轻 而易 举 地将您 的应用程 序 移植 到新平台和 操 作系统中。 另外 ， 因 为 您 能 开 发出的虚拟仪器程 序 能 够 在不同平台 间 移植 、独立于 操 作系统，这 既 帮助您 节省 了 开 发 时间 ， 又避免 了 因 为平台 间 转 换 带来的不 便 利。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -8- 2.1.5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 务器技术 简 化了大 型 、多主机系统的 开 发过程。另外 ， Labview本 身也包含 了标准网 络 技术，如 TCP/IP，以及 企 业 内部 的发 布 与 订阅协议 等 16。 2.1.6分析功能 在虚拟仪器系统中， 将信 号采集到电脑中并不 意 味 着 任 务 已 经 完成， 通 常 还 需 要 利用软件完成 复杂 的分 析 和 信 号 处理 工作。在机 械状态 监视 和 控 制系统的高速测量应用中， 经 常需 要对 振 动 信 号进 行 精 确 的 阶次 分 析 。 闭 环 嵌 入式系统一 般 要 利用 控 制算 法 进行 逐 点 运 算以 便保 证稳 定性。 除 了在 LabVIEW中 已 安装 的高 级 分 析 功能 库外 ， NI 公司还 为不同 要 求的测量提供了 相 应 附 加 工具 包 ，如 LabVIEW信 号 处理 工具套件， LabVIEW声音 与 振 动工具 包 ，和 LabVIEW阶次 分 析 工具 包 等 17。 2.1.7可视化功能及 灵活性与可 调 整 性 主 要 优势 在虚拟仪器用户 界 面里， LabVIEW提供了大量 内置 的可 视 化工具用于显示数据：从图 表到 图形 、从 2D 到 3D 显示，应有 尽 有。同 时 ， 你 还 可以 随时修改界 面 特 征 ，如 颜色 、字体 尺寸 、 图 表 类型 ， 还 有动 态 旋 转、 缩 放 等。 除 了 图形 化编程和方 便 的定 义界 面 属 性外 ， 您只 需利用 拖放 工具，就可 将 物 体 拖放 到仪器的 前 面板上。 工程师和科学家们需 要 并 且要 求系统能 够 不 断 变化。同 时 ，他们 还 需 要 可 维护 、可扩 充的 解决 方 案 以 便 长期 使 用。 通 过建立以功能强大的 开 发软件（如 LabVIEW）为基础的虚拟仪器系统， 您即 可 设 计出软、硬件 无 缝 集成的 开 放 式 架构 。这一 切 确保 了 您 的系统不 仅 能在 今天 使 用，在 未 来同样可以 轻松 集成新技术，或根据新 要 求在 原 有基础上 扩展系统功能。 此外 ， 每 个应用系统 都 有自己独 特 的 要 求，需 要 多 种解决 方 案 18。 2.1.8 虚拟仪器在工程处理中的应用及研发 在工程 处理 的 每 一 阶段 ，虚拟仪器 均 能提供出 色服 务：从 研 发 设 计到生产测试。 在 研 发和 设 计 阶段 ，工程师和科学家们 要 求 快 速 开 发和建立系统 原型 。利用虚拟仪器， 您 可以 快 速创建程 序 ，并 对 系统 原型 进 行 测量、分 析结果 ，完成这一 切 只 需 花费 传统仪器完成同样 任 务的一 小部 分 时间 而 已 。如 果您要 求灵活性， 那 么一个可 升 级 的 开 放式平台是基础。 它 可以 各种形 式出现， 包括 台式、 嵌 入式系统、分 布 式网 络 等。 研 发 设 计 阶段 需 要 软硬件的 无 缝 集成。不 论 您 是 使 用 GPIB 接口 与传统仪器 连接 ， 还 是直 接使 用数据采集板卡及 信 号 调 理 硬件采集数据， LabVIEW使 这一 切 变 得 如 此简单 。 通过虚拟仪器， 您 可以 使 测试过程自动化， 消 除 人工 操 作 引 起的 误差 ，并能 确保 测试 结果的一 贯 性。 利用虚拟仪器的灵活性和强大功能， 您 能 轻 而易 举 地 建立 复杂 的测试 体 系。 对 自动化 设 计 认证 测试应用来 说 ， 您 可在 LabVIEW中完成测试程 序开 发并与 NI TestStand 集成 使 用， TestStand 为 您 提供强大的测试程 序 管 理 功能。这 些开 发工具在 整 个过程中提供的 另 一个优势是代 码 重 复 使 用功能。在 设 计过程中 开 发代 码 ，然 后将它 们插入到 各种功能工具中进 行 认证 、测试或生产工作 19。 2.1.9 超越 PC 的虚拟仪器系统 最 近 ，商业计算机（ PC 机）技术 开始 逐渐 与 嵌 入式系统 相 互 融 合。 范 例 包括 Windows nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -9- CE， Intelx86-处理 器， PCI和 Compact PCI总线 ，及 嵌 入式 开 发 环境 的以 太 网等。虚拟仪器的低成本和高性能优势在 很 大程度上是建立在 众 多计算机商业科技基础上， 因此 功能可以进一 步扩 展，进而 包括 了 更 多 嵌 入式和 实时 功能。例如，在 某 些 嵌 入式应用中，LabVIEW能 够 同 时运行 在 Linux和 嵌 入式 ETS实时操 作系统中。 无 论 是在台式机 还 是 嵌 入式系统中，虚拟仪器 都 为用户提供了一个可 升 级 的 架构选项 ， 因此我 们可 将 虚拟仪器作为一 整 套 嵌 入式系统 开 发工具中的一 部 分。 网 络 和 Web的应用 深 刻地 影响 了 嵌 入式系统的 开 发。由于 PC机的普 遍使 用，以 太 网已 经 成为全 球企 业的标准 内部 网 络设 施 。 此外 ， PC 世 界 里 Web界 面的普及 也 已 经 延伸 到移 动电话、 PDAS (个人电 子助理 ) 、 甚至 工业数据采集和 控 制系统。 虚拟仪器有不 断 发展的强大计算机技术最为 坚 强 后 盾 ， 它 为 您 提供自己定 义 并创 建具有 开 放 式 构架 的测量和自动化系统的能 力 。这一概念不 仅 确保您 的工作在 未 来的可用性， 也 提供了 今 后随 着需求 改 变可进 行 系统 调 整 或 扩 充的灵活性。 20LabVIEW 本就是为工程师和科学家 专门设 计的， 因此它 为他们提供了功能强大的工具和 熟悉 的 开 发 环境 ，用于虚拟仪器的 设 计和 开 发 20。 2.2 LabVIEW 环境 2.2.1LabVIEW 程序和相关程序 LabVIEW 系统 由 LabVIEW 应用和若 干 相关文件组成。 在 Windows 环境下， LabVIEW 程序图标用于启动 LabVIEW 程序的操作 :Lab VIEW Uninstall 图标用于启动卸载应用程序或从计算机上移去 Lab VIEW 以及相关文件。另外， Lab VIEW Installer 会自动地把 NI-DAQ(数据采集 )配置应用程序安 装倒 Lab VIEW程序组。 LabVIEW 使用若 干 文件和口录来存储创建 VI 时所需要的信息。 2.2.2 Lab VIEW 启动屏幕 当双击 LabVIEW 图标启动 Lab VIEW 时，将出现如图 2-1 所示的启动屏幕。 图 2.1启动屏幕 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -10- 2.2.3 面板和框图窗口 当在启动屏幕上选择 NEW-BLOCK VI 时，屏幕上出现一个无标题的面板窗口。面板窗口显示 VI 的前面板，框图程序窗口用来创建 VI 的框图程序。 前面板和框图程序山一些图形化对象集组成，这些对象时 Lab VIEW 编成 元 素。框图程序含有与前面板控件和指示器对应的连线端子、 常数、函数、子 VI、结构和把数据从一个对象传送到另一个对象的连线。图 2-2 和图 2-3 所示的为前面板窗口和与之对应的框图程序。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -11- 2.3 启动进入常用控件 2.3.1 LabVIEW的操作模板 在 LabVIEW的用户界面上，应特别注意它提供的操作模板，包括工具（ Tools）模板、控制（ Controls）模板和函数（ Functions）模板。这些模板集中反映了该软件的功能与特征。下面我们来大致浏览一下。 2.3.2 工具模板 （ Tools Palette） 该模板提供了各种用于创建、修改和调试 VI 程序的工具。如果该模板没有出现，则可以在 Windows 菜单下选择 Show Tools Palette 命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状。当从 Windows 菜单下选择了 Show Help Window 功能后，把工具模板内选定的任一种工具光标放在流程图程序的子程序（ Sub VI）或图标上，就会显示相应的帮助信息。 下述工具中注意 1和 2的区别， 2用于编程时， 1用于运行程序时。 4是一个特有的工具， 它并不是一个简单的画线工具，而是一个符合 LabVIEW语言规定的对象连接工具。 工具图标有如下几种： 图标 名称 功 能 Operate Value（操作值） 用于操作前面板的控制和显示。使用它向数字或字符串控制中键入值时，工具会变成标签工具 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -12- Position/Size/Select （选择） 用于选择、移动或改变对象的大小。当它用于改变对象的连框大小时，会变成相应形状。 Edit Text（编辑文本） 用于输入标签文本或者创建自由标签。当创建自由标签时它会变成 相应形状。 Connect Wire（连线） 用于在流程图程序上连接对象。如果联机帮助的窗口被打开时，把该工具放在任一条连线上，就会显示相应的数据类型。 Object Shortcut Menu（对象菜单） 用鼠标左键可以弹出对象的弹出式菜单。 Scroll Windows（窗口漫游） 使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。 Set/Clear Breakpoint（断点设置清除） 使用该工具在 VI 的流程图对象上设置断点。 Probe Data（ 数据探针） 可在框图程序内的数据流线上设置探针。通过控针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。 Get Color（颜色提取） 使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。 Set Color（颜色设置） 用来给对象定义颜色。它也显示出对象的前景色和背景色。 下面的两个模板是多层的，其中每一个子模板下还包括多个对象。 2.3.3 控制模板（ Control Palette） 注意：只有打开前面板时才能调用该模板 该模板用来给前 面板设置各种所需的输出显示对象和输入控制对象。每个图标代表一类子模板。如果控制模板不显示，可以用 Windows 菜单的 Show Controls Palette 功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模板。 控制模板如左图所示，它包括如下所示的一些子模板。子模板中包括的对象，我们在功能中用文字简要介绍。 图标 子模板名称 功 能 Numeric（数值量） 数值的控制和显示。包含数字式、指针式显示表盘及各 种输入框。 Boolean（布尔量） 逻辑数值的 控制和显示。包含各种布尔开关、按钮以及指示灯等。 String & Path（字符串和路径） 字符串和路径的控制和显示。 Array & Cluster（数组和簇） 数组和簇 的控制和显示。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -13- List & Table（列表和表格） 列表和表格的控制和显示 Graph（图形显示） 显示数据结果的趋势图和曲线图。 Ring & Enum（环与枚举） 环与枚举 的控制和显示。 I/O（输入 /输出功能） 输入 /输出功能。于操作 OLE、 ActiveX 等功能。 Refnum 参考数 10 Digilog Controls（数字控制） 数字控制 11 Clussic Controls（经典控制） 经典控制，指以前版本软件的面板图标。 12 Activex 用 于 ActiveX 等功能。 13 Decorations（装饰） 用于给前面板进行装饰的各种图形对象。 14 Select a Controls（控制选择） 调用存储在文件中的控制和显示的接口。 15 User Controls（用户控制） 用户自定义的控制和显示。 2.3.4 功能模板 (Functions Palette) 注：只有打开了流程图程序窗口，才能出现功能模板。 功能模板是创建流程图程序的工具。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板。若功能模板不出现，则可以用 Windows菜单下的 Show Functions Palette 功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。 功能模板如右图所示，其子模块如下所示。（个别不常用的子模块未包含） 图标 子模板名称 功 能 Structure（结构） 包括程序控制结构命令，例如循环控制等，以及全局变 量和局部变量。 Numeric（数值运算） 包括各种常用的数值 运算，还包括数制转换、三角函数、对数、复数等运算，以及各种数值常数。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -14- Boolean（布尔运算） 包括各种逻辑运算符以及布尔常数。 String（字符串运算） 包含各种字符串操作函数、数值与字符串之间的转换函 数，以及字符 (串 )常数等。 Array（数组） 包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数组等。 Cluster（簇） 包括簇的处理函数，以及群常数等。这里的群相当于 C语言中的结构。 Comparison（比较） 包括各种比较运算函数，如大于、小于、等于 。 Time & Dialog （时间和对话框） 包括对话框窗口、时间和出错处理函数等。 File I/O （文件输入 /输出） 包括处理文件输入 /输出的程序和函数。 10 Data Acquisition （数据采集） 包括数据采集硬件的驱动，以及信号调理所需的各种功 能模块。 11 Waveform（波形） 各种波形处理工具 12 Analyze（分析） 信号发生、时域 及频域分析功能模块及数学工具 。 13 Instrument I/O （仪器输入 /输出） 包括 GPIB(488、 488.2)、串行、 VXI 仪器控制的程序和函数，以及 VISA 的操作功能函数。 14 Mathematics（数学） 包括统计、曲线拟合、公式框节点等功能模块，以及数 值微分、积分等数值计算工具模块。 15 Communication（通讯） 包括 TCP、 DDE、 ActiveX 和 OLE 等功能的处理模块。 16 Application Control（应用控制） 包括动态调用 VI、标准可执行程序的功能函数。 17 Graphics & Sound （图形与声音） 包括 3D、 OpenGL、声音播放等功能模块。包括调用动态连接库和 CIN 节点等功能的处理模块。 18 Tutorial（示教课程） 包括 LabVIEW 示教程序。 19 Report Generation （文档生成） 生成应用程序报告的函数，报告可以使用数字、文本、图象等形式，可包括前面板、框图和说明等内容，可存储、打印和网络发布 20 Advanced（ 高级功能） 调用库函数和其他应用程序代码的两个节点，输入设备控制、数据操作、读写寄存器地址等子模板 21 Select a VI （选择子 VI） 单击这个图标弹出一个文件对话框，从 Windows 文件系统中选择需要打开的 VI 22 User Library （用户 VI 库） 把 VI 放在 National Instruments/LabVIEW 7.0/user.lib 目录中时，将出现在这个子模板中 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -15- 2.4 IMAQ Vision NI公司的 IMAQ Vision软件包为图像处理提供了完整的功能。它将 400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LabVIEW图形化编程的优异性能和高效率，利用 CVI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。 2.4.1 IMAQ Vision的主要功能 NI 公司的 IMAQ Vision 软件包在 LabVIEW, BridgeVIEW ,LabWindows/CVI, ComponentWorks 以及其它 ActiveX 容器应用程序中加入了机器视觉和 图像处理的功能 .IMAQ Vision 中包含一套丰富的为 MMX 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、斑点分析、计算和测量等 .最终用户、系统集成商和原始设备制造商都可以使用 IMAQ Vision 以加快工业视觉和科学图像应用的开发。 IMAQ Vision 可用于工厂和实验室里那些需要高可靠性、高速的视觉系统的自动化操作中。 2.4.2 IMAQ Vision的主要特点 使用 Intel MMX技术以提高性能 Windows NT/98/95版的 IMAQ Vision利用了 Intel MMX技术。在图像处理 应用中处理 8位图像时，通常会用到整数或浮点运算函数，而 MMX技术可以加快这些运算的速度。使用具有 MMX技术的奔腾处理器执行很多 IMAQ Vision 的函数时，其性能要比不具有 MMX技术的奔腾处理器提高最大 4倍。 ActiveX控件 ComponentWorks IMAQ Vision IMAQ Vision ActiveX控件是 ComponentWorks产品家族的一员，它为 Microsoft Visual Basic, Microsoft Visual C+和其它 ActiveX开发环境提供了三个等级的控件 :浏览器控件可以 30帧 /秒或更高的速率显示图像，并且提供了感兴趣区域 (ROI )选择工具 ;NI-IMAQ图像采集控件使用属性页的形式简化了图像捕捉 ;机器视觉和图像处理控件提供了上百种处理函数。 加快了应用程序开发速度 IMAQ Vision在设计时便考虑到使用的简便性，尤其能满足图像应用开发人员的需求，以减轻他们在降低成本与缩短上市时间方面的压力。开放的内存管理以及符合命名逻辑的 VI、函数和 参数使得 IMAQ Vision易于学习 ;其内建的各种高级函数可以直观的相互配合工作，因此可以使用很少的函数而得到更快的开发速度。 可与 DAQ配合工作进行图像采集 IMAQ软、硬件的设计目标之一就是能够很容易的与 NI DAQ产品集成。 IMAQ硬件上的RTSI总线可以使不同板卡使用共同的定时信号，从而实现图像和数字量的定时、同步。 2.4.3 IMAQ Vision的使用环境 IMAQ Vision针对不同开发环境有不同的使用方式，开发人员可以根据需要来进行灵活选择。利用 LabVIEW, BridgeVIEW等图形化开发环境可以加快开发速度，同时提高系统的可靠性。这种环境下 IMAQ Vision的各种处理功能以 VI的形式出现 ;若开发者习惯于常规语言的开发环境，可选用基于 C语言的开发环境 LabWindowslCVI, IMAQ Vision提nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -16- 供 T丰富的 C函数库以供调用 ;若开发人员想利用现有的通用开发环境，可以使用 IMAQ Vision ActiveX控件，它可以在 Microsoft Visual Basic, Microsoft Visual C+和其它 ActiveX开发环境中以可视化控件 的形式提供图像处理功能 。 2.4.4 图像采集驱动软件 NI-IMAQ 不论使用 Labview, LabWindows/CVI, C或是 Visual Basic， NI IMAQ都能提供对 NI IMAQ采集设备的高层控制。 NI-IMAQ是针对图像采集的一个完整 而可靠的 API。 NI-IMAQ可以完成图像采集所需的与计算机和板卡有关的工作而无须进行寄存器级编程。 NI-IMAQ与 NI-DAQ和其他的 NI驱动软件完全兼容，以便将图像集成到任何基于 NI产品的解决方案中。 nts浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计（论文） -17- 第三章 LabVIEW 系统 的机器视觉及硬件介绍 3.1 虚拟仪器系统总体构成 虚拟仪器一般由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是各种以 PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线 (GPIB)接口卡、串行口、 VXI总线仪器接口等设备，或者是其他各种可程控的外置测试设备 ;设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯 ;并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种
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