【《指针式仪表嵌入式识读系统设计案例》8700字】

指针式仪表嵌入式识读系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u10249指针式仪表嵌入式识读系统设计案例 1231501.1搭建嵌入式识读系统硬件平台 1183201.1.1CCD相机 1244891.1.2补光光源 429586 5294841.1.4电气控制单元 647471.1.5执行机构单元 8105831.2识读系统软件环境构建 9225051.3指针仪表嵌入式识读系统软件设计 15159371.3.1人机交互界面设计 1551841.3.2视频图像采集与显示的实现 1665601.3.3指针仪表识读算法实现流程 20194771.4识读系统测试 2289351.4.1测试流程 22291971.4.2测试结果分析 24284751.4.3影响识读系统识别精度的因素分析 241.1搭建嵌入式识读系统硬件平台1.1.1CCD相机机器视觉感官即利用机器设备替代人体肉眼来做测量确定与判定。机器视觉感官主要搭载视觉感官自动成像体系与图片全面处理体系，视觉感官自动成像体系通常是由相机设备、镜头和光源等部件组成，通过将待检测的目标成像并且数字化后将数据送给图像处理系统得出相关目标特征，进行算术与逻辑运算，最终根据计算的结果与相关执行机构进行交互[34]。机器视觉技术可以应用于各种场景，例如检测产品瑕疵、识别产品外形、测量产品尺寸、工况监测等，通过结合机器视觉技术与自动化技术，搭配相关的执行机构，可快速进行现代自动化生产。机器视觉技术的特点主要包括安全稳定性比较大、具有较高的数据信息解析计算度、具有全面且深入的测试水平、减少人力成本费用、配合运动操控管理体系展开自动智能化生产加工等。截至当前，运用机器视觉感官专业技术的行业领域十分广泛，和机器视觉感官专业技术有关的热点产业主要包含：半导体、光电、制造加工产业、自动智能化操作控制等，把机器视觉感官专业技术应用在测试和自动智能化生产，可以提高产能、降低成本。相机是构成视觉影像系统特别重要的光学电子元件之一，成像原理主要是通过内置的感光元器件进行光线的吸收进而在转换为储存电荷，最终将电荷送给信号放大解码器实现一副图像的显示。以颜色区分相机的话相机可以分为灰度和彩色，灰度相机是一副8bit图像，分为255阶，彩色相机是一副24bitRGB图像，理论上颜色数量为1677万。相机根据传输接口的不同包括GigE、CamreaLink、USB等多种类型接口，随着数字接口技术的快速发展，数据相机设备早已替代最开始时期的模拟仿真相机设备大量的应用在机器设备视觉感官体系。以感光感应设备元件的不同展开区分的话，相机设备主要包含：CCD和CMOS两大类。一般而言，CMOS的感光度相对CCD较差，当图像形成速度变化比较快时，CMOS相对CCD种类形成的总热量比较大。CCD设备元件上主要包括：有许多图片像素，图片像素点愈多，自动成像就有更大的辨识率。CCD相机设备发展进步非常早，和CMOS相机设备对比，制造加工成本费用和能耗都比较大，但是自动成像作用效果比CMOS相机设备要好许多，因此该系统选择CCD相机设备。CCD相机设备具有更好的动态范围、噪音较低、较多的电量处理能力等，通常划分为线阵CCD相机设备与面阵CCD相机设备。线阵相机设备1次只可以自动扫描一行图片像素，自动扫描结束之后才能够将上述行图片像素构成一幅完整系统的图片，线阵相机设备一般应用在持续运动的物品与要求高准确度的图片。面阵像机1次自动扫描就可产生一帧完整系统的图片。单元仪表指针数据检测体系里，指示针是不停运动的，并且运动的速率非常快，假如选择面阵相机设备要求在极短的曝光作用时间中表现出高水准的图片，这就对面阵相机设备的多种要求非常高，市场价格十分昂贵。完全相反，线阵相机设备在对持续快速运动的物品自动成像方面有十分显著的功能优势，不会产生拖影的实际状况。因此在本次应用系统里选用线阵CCD相机设备。该相机具有以下特点：（1）曝光时间、行频、增益、偏移、数据位深等可编程控制（2）工作温度高达65℃（3）千兆网接口，兼容GigEVision（4）改进的图形用户界面更易于设置（5）平场校正(FPN)（6）可选择高灵敏度模式或低灵敏度模式本系统像机有两套相机组成，一套用来拍照采集产品编码，另一套用来拍照采集指针转动角度。由于不同型号的仪表指针旋转角度不同，导致在选用相机和光源时要求比较苛刻，经过多次反复实验，终于找到了德国BASLER公司的acA2500-14gm型号的工业相机镜头适合目前所有单元仪表；工业相机外形如图1.1所示。图1.1工业相机外形图BasleracA2500-14gm相机不仅具有出色的品质和性能，而且经济实惠，装配了CMOSIS、e2V和ONSemiconductord的CMOS芯片，提供了常用的以太网相机接口。规格参数见表1.1。表1.1asleracA2500-14gm相机规格参数参数数值电源电压12V额定功率2.2W分辨率500万帧速率14fps镜头接口以太网工作温度0℃-50℃外形尺寸（L*W*H）42mm*29mm*29mm重量90g该相机通过电气控制板卡触发拍照，并将图像信息转换为数字信号实时传输至工控机内，工作流程图如图1.2所示。图1.2图像采集单元工作流程图1.1.2补光光源除相机设备与镜头外，想要收集到自动成像质量好的单元仪表图片，灯光照明同时也是十分关键的一个影响因素。灯光照明的影响就是需要获取对照鲜明的图片，恰当的灯光照明应该能尽可能去除多余的组成部分，加强图片的信噪比。挑选出合适的光源并不轻松容易，需要根据实际应用场景搭配不同类型的光源和灯光技巧进行反复测试和验证。照明方式根据介质类型的不同包括投射方式和反射方式。透射方式是入射光经过折射穿过物体形成的光，根据投射方式原理通常将相机和光源放置在待检测物品完全相反的两端。物品反射出的光称之为反射光，反射模式应用的就是反射光，参考光的反射理论：一般把相机设备与光源放置在物品一致的一侧。在单元仪表指令数据信息测试的时候，应该选择反射模式，相机设备和光源都放置在单元仪表的一侧。仅仅依靠环境光源形成图像是不够的，试验中经常会发现生成的图像特征不太明显，此时需要为成像系统搭配合适的光源来强化特征。在机器视觉中，由于可见光价格比较低廉且获取容器故经常采用可见光作为体系的光源。图1.3环形光源图单元仪表自动检测方法是以工控机作为该方案的主要核心，用图像采集单元作为重要反馈单元，其余子单元有：电气控制单元、人机交互单元、输入信号单元、故障报警单元及执行机构。在选择工控机的型号时，对生产规模较大的NI公司和国内的研华公司进行了参数对比，主要对比参数如下表1.2：表1.2NI公司的CDAQ机箱与研华公司的610L机箱参数对比表功能NICDAQ机箱研华610L机箱I/O模块种类5010定时器个数42是否可以通过数字模块访问是否多I/O或定时器是否可以同时操作是否是否可读写波形测量数据是否外部触发时钟接口个数2无通过上表的参数数据对比，NI公司的CDAQ机箱参数明显优于与研华公司的610L机箱参数，并且由于该检测装置必须使用波形测量数据读写功能，而研华公司的610L机箱无该项功能，无法满足需要，因此工控机采用美国国家仪器有限公司生产的CDAQ机箱为主要控制核心，图像采集单元采用两台摄像头拍照反馈至工控机；电气控制单元所使用的数字量信号是通过机箱上装有C系列数字量板卡NI9375来实现；输入信号单元是模拟车辆传感器提供给单元仪表信号，可以提供模拟量电压、方波及正弦波频率、电阻这三种信号，其中模拟量电压信号是通过装有C系列模拟量电压输出板卡NI9263提供，方波频率信号通过装有C系列计数器IO板卡NI9475提供，正弦波频率信号通过采用台湾固纬台式信号发生器AFG2225提供，电阻信号通过采用美国PickeringPCI可编程电阻模块提供。在硬件选型时，选用了CDAQ机箱及其配套的C系列板卡。仪表产品放入检测装置后，数字量板卡控制电磁阀，将产品送入到检测工位，之后给产品上电，给定不同的外部信号，经过相机拍照，获取当前信号下的指针角度值，并与标准值参与比较，角度值正常则更改外部信号进行下一个刻度的检测、拍照，并判断指针角度是否正常，直到完成全部指针角度的变化。图1.4CDAQ机箱图1.1.4电气控制单元电气控制单元主要完成：检测启动控制、光照补偿控制、装置急停控制、报警控制等执行机构的控制功能。经过对单元仪表的检测过程分析及计算，需要用到7路数字量输入通道及10路数字量输出通道，在选择数字板卡的型号时，对生产规模较大的NI公司和国内的研华公司进行了参数对比，主要对比参数如下表1.3：表1.3NI公司的NI9375数字量板卡与研华公司的PCL-818L采集板卡对比表参数NI9375数字量板卡PCL-818L采集板卡仅数字输入通道数量168仅数据自动输出信号通道数目168双向数据信号通道数目00双向数据信号通道数目00工作电流流动方向源极自动输出,

漏极输入无输入信号电平兼容12V/24V电压12V输出信号电平6V至30V1至12V响应时间7us500us数字I/O隔离1000Vrms

通道-接地隔离电磁隔离正面连接形式弹簧端子插针是否支持热插拔操作是否工作温度范围-40℃至70℃-40℃至70℃由上表对比可知：NI公司C系列NI9375数字量板卡在性能上均胜于PCL-818L采集板卡，又因为该自动检测装置至少需要10路数字量输出信号，所以只拥有8路数字量输出信号的PCL-818L采集板卡是不合适该检测装置的；因此选择NI公司C系列NI9375数字量板卡更为妥当。NI9375板卡总共有16路数字量输入通道及16路数字量输出通道，60VDC通道-接地隔离及DI与DO隔离，属于美国国家仪器有限公司生产的CDAQ机箱配套C系列数字模块。为了便于现场进行接线和安装操作，NI9375板卡的连接方式采用的是弹簧端子。规格参数见表1.4，其外形如图1.5所示。表1.4NI9375数字量板卡规格参数参数数值仅数据自动输入信号通道数目16仅数据自动输出信号通道数目16双向数据信号通道数目0双向数据信号通道数目0工作电流流动方向源极自动输出,

漏极输入输入信号电平兼容12V/24V电压输出信号电平6V至30V响应时间输入7us，500us输出数字I/O隔离1000Vrms

通道-接地隔离正面连接形式弹簧端子是否支持热插拔操作是工作温度范围-40℃至70℃图1.5NI9375板卡外形图工控机在接收到人机交互单元传回的信息后，把控制执行机构的信息传递给NI9375板卡，NI9375根据信息控制对应执行机构，并且传感器的信号也是通过NI9375板卡反馈至工控机，形成闭环控制系统。NI9375板卡的DI/DO输入输出对照如图1.6所示：图1.6DI/DO输入输出对照图1.1.5执行机构单元执行机构主要完成：气缸伸缩、故障报警、安全光栅保护、CCD拍照触发等工作。由水平伸缩气缸、安全光栅、三色报警灯、拍照灯、接近传感器等组成。执行机构按照功能不同分为两类，一类为运动模块，指接收到控制单元信号后进行运动（如：水平伸缩气缸、三色报警灯、拍照灯）；另一类为反馈模块，指在感应到运动后输出信号至控制单元（如：接近传感器、安全光栅）；图1.7为执行机构流程图。图1.7执行机构流程图1.2识读系统软件环境构建本系统软件运行平台为工控机，见1.1.3章节内容。工控机运行操作系统为Windows操作系统，软件基于OpenCV和Qt研发。Qt是一个普遍常用的跨平台操作C++图像的研发结构，具有优良的跨平台特性、面向对象、丰富的API等特点[35]。OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary）是一个基于开源发行的计算机视觉软件开发库，该软件开发库具备跨平台特性，提供了图像处理和计算机视觉方面很多能够通用的算法API，通过应用Opencv开源将开发者从繁杂的底层算法工作中解脱出来专心应用，使开发者能够很快的设计出更为复杂的算法解决各种实际问题。OpenCV经过多个版本的升级，提供的接口越来越丰富和强大，支持C/C++和Python调用，本系统采用的Opencv版本为4.1.0。OpenCV常用的模块功能如表1.5所示：表1.5OpenCV模块名称及功能模块名称功能calib3d相机设备校对分析与三维立体重新构建等，主要包括：多格局视角结合运算方法、物品姿态估测、3D数据信息的重新构建等core中心功能应用模块，主要包括：实时动态数据信息组成结构、绘图运算函数、数组操作应用有关运算函数、协助作用功能和体系运算函数等imgproc图片全面处理功能模块，主要包括：图片自动滤波、图片的数学几何转换、直方示意图有关、特点测试、发展目标测试等features2d2D作用功能结构，主要包括：特点测试与描述表达、特点测试控制器设备常用端口、描述表达符选取控制器设备常用端口等highgui高层GUI图像客户页面，主要包括：新闻媒体的自动输入自动输出、视频捕捉、图片与视频的程序编码编译解码等flann高维的相似近邻迅速搜查运算方法库gpu应用GPU加速推动的电脑计算机视觉感官功能模块ml机器学习，包括模式分类和回归分析等本文有关的图像处理功能都是基于OpenCV和Qt进行实现的，因此要求移植OpenCV应用在Qt的使用，移植操作应用步骤归纳总结具体如下所示：安装设置Qt与OpenCV4.1.0，安装设置包经过Qt官网与OpenCV官网下载保存获取；安装OpenCV和Qt后需要添加环境变量，设置完环境变量需要重启应用，例如OpenCV环境变量：D:\OpenCV4.1.0\build\include，Qt环境变量D：Qt\Qt1.14.2\mingw53_32\binCMake编译opencv点击Configure，选择MinGWMakefiles。又一次单击Configure。单击Generate，成功之后，底下会提醒Generatedone。开启cmd，全面进入刚才CMAKE设立的发展目标途径，自动输入mingw32-make命令指示开始移植。此过程比较漫长。履行mingw32-makeinstall。移植完成后效果如下。这个时候会在发展目标数据目录下自动生成一个install资料文件夹，库与bin与头资料文件均在里面。全面进入install数据目录下面，找到发现bin资料文件夹，直接拷贝到opencv/build/x86/下以便以后配置，将其路径D:\opencv4.1.0\build\x86\mingw\bin加入系统环境变量。打开Qtcreator,创建一个GUI工程或者控制台也行。打开.pro文件，加入以下配置：INCLUDEPATH+=D:\opencv4.1.0\build\include\opencv\D:\opencv4.1.0\build\include\opencv2\D:\opencv4.1.0\build\includeLIBS+=-LD:\opencv4.1.0\build\x86\mingw\lib\-llibopencv_core410\-llibopencv_highgui410\-llibopencv_imgproc410\-llibopencv_ml410\-llibopencv_video410\-llibopencv_features2d410\-llibopencv_calib3d410\-llibopencv_objdetect410\-llibopencv_contrib410\-llibopencv_legacy410\-llibopencv_flann410\-llibopencv_gpu410\-llibopencv_nonfree410\-llibopencv_ocl410\-llibopencv_photo410\-llibopencv_stitching410\-llibopencv_superres410\-llibopencv_ts410\LIBS+=LD:\opencv4.10\build\x86\mingw\lib\*.lib1.3指针仪表嵌入式识读系统软件设计1.3.1人机交互界面设计软件主界面设计有生产模式、手动模式、参数配置、用户管理、数据管理、登出、退出等功能。在Qt下设计人机交互界面主要通过两大类模式完成：经过QtCreator的QtDesigner综合系统控制器设备完成或经过移植应用操作程序代码完成，Qt的设计器同VisualBasic和.NET一样，可以通过拖拽控件的方式设计界面，非常便捷和高校，且可以自定义控件。本方案主要通过QtDesigner设计器实现。识读系统的主界面如图1.12所示。图1.12识读系统交互界面页面里的每一个按键都具有着一个或者数个动作，而每一个动作都会对应该着相对应的全面处理意外突发事件，例如单击“开启摄像头设备”按键时就会履行摄像头设备的初始处理化应用程序，这类过程是经过connet()运算函数把意外突发事件和动作结合完成的，结合模式具体如下所示：connect(ui->actOpenCamera,SIGNAL(triggered()),this,SLOT(on_actOpenCamera_triggered()));通过信号和槽的绑定，当点击“打开摄像头”菜单时应用程序发出triggered()信号，通过Qt信号和槽机制调用槽函数on_actOpenCamera_triggered()执行，完成打开摄像头功能。Qt框架通过对象间信号和槽的机制，可以很高效安全的进行对象间的通信。1.3.2视频图像采集与显示的实现1.视频图像采集本次应用系统里应用的摄像头设备为acA2500-14gm摄像头设备，在OpenCV结构里摄像头设备的名称从0开始依次递增，由于本系统只有1个摄像头，从而这个摄像头设备的名字为0，收集应用程序经过OpenCV结构的Capture端口运算函数操作应用这个摄像头设备，以完成摄像头设备的开启并且收集图片。OpenCV获得图片数据信息通常包括：两大类模式，依次是read()与mmap()，和read()模式对比，两种方法主要的区别在于进行处理时率不同，mmap()模式把图片数据信息直接映射到发展进程的数据内存分布空间里，应用操作程序能够直接访问链接数据内存来获取摄像头设备的数据信息，经过这个类模式可明显提升获取操作应用的工作效率，所以在本文中，笔者应用mmap()模式来完成摄像头设备数据信息的获取操作应用。识读体系摄像头设备数据信息收集工作流程如下示意图1.13所示：图1.13图像采集流程图摄像头设备收集具体过程具体如下所示：（1）开启摄像头设备。因为体系仅有一个摄像头设备，所以摄像头设备在Opencv结构中信号通道为0，经过结构VideoCapture种实践案例化摄像头设备目标对象，形参值为0，开启摄像头设备，经过VideoCapture种的isOpened运算函数判定是否开启成功。（2）获取摄像头设备数据信息。VideoCapture类提供了丰富的接口用于获得摄像头相关参数，通过调用get函数获取，不同的形参值对应不同的摄像头信息，例如CAP_PROP_FRAME_WIDTH和CAP_PROP_HEIGHT分别代表了摄像头设备图片的宽与高。（3）摄像头设备图像采集。经过运用mmap()模式把摄像头设备图片数据信息直接映射到发展进程的数据内存分布空间里，而且在图片数据信息映射时指定为MAP_SHARED模式，这样以来，就能够促使映射的数据内存在发展进程间实时共享，使用mmap()运算函数后会自动返回映射之后的起始储存地址供其他端口访问链接。映射成功后，可以直接通过VideoCapture类的读取进口进行采集数据，读取到Mat类中，通过Mat中的数据来判断是否采集成功。2.视频图像显示Qt中有多种显示方法，可以采用QLabel、QWidget、QOpenglWidget等控件进行显示，其中QOpenglWidget利用了GPU进行加速，为了保证程序显示的高性能，本文中采用QOpenglWidget显示摄像头的图像，通过QOpenglWidget控件的initializeGL、resizeGL、paintGL、initTextures、initShaders等函数来实现，由于Qt不能直接显示OpenCV的Mat数据类型，因此显示前需要先将Mat转为QImage。系统完整的摄像头数据采集与显示工作流程如图1.14示：开始开始N是否达到采集时间？Y是否继续？关闭摄像头调用paintEvent()真正刷新显示内容,首先实例化一个Qpainter对象Qpainterpainter(this);然后调用drawImage显示函数painter.drawImage(0,0,image)updata()进行图像刷新设置要显示图像setImage读取返回图像信息首地址，并使用loadFromData()生成图像实体判断采集是否结束VIDIOCSYNC视频采集VIDIOCMCCAPTURE启动定时器mTimer->start用定时器设置图像采集频率mTimer->setInterval(50);内存映射打开视频设备，YN结束图1.14完整的图像采集与显示流程图为了能够实时显示摄像头图像，需要持续不停的进行采集，本软件采用了多线程技术进行摄像头数据的采集，通过封装摄像头数据采集类继承QThread类编写run函数来实现采集，在run函数中每采集一帧数据都通过Qt的信号和槽机制发射出信号，供别的对象注册槽函数来获取摄像头实时采集到的数据。视频采集显示的效果如图1.15所示图1.15视频采集与显示效果图1.3.3指针仪表识读算法实现流程图1.16为在本文中，笔者指示针仪表设备识读的运算方法综合系统设计过程，第一步收集指示针仪表设备图片并且展开载入，使用RGB加权平均法和OpenCV的颜色转换函数进行图像灰度化，图像灰度化后需要进行图片加强以突显指示针与表盘刻度等特点数据信息，图片加强以后应用图片自动滤波对收集到的图片降展开噪全面处理，并且使用Otsu极限值法对图片自动滤波之后的摄像头设备图片展开二值化计算极限值分割，获取指示针仪表设备的二数值图片；二值化计算后要求对仪表设备二数值图片展开连通分布域标识并且研究分析，把单元仪表指示针与刻度标准线以外的连通分布域图片像素全面处理为历史背景图片像素，在使用Zhang细致化运算方法选取单元仪表指示针与刻度标准线的骨架，进而逐渐减少降低发展前景图片像素点的数目，以后运用霍夫转换模拟指示针直线分割及模拟零刻度标准线和满刻度标准线，特征提取后通过角度法计算仪表设备指示针代表数。图1.16识读运算方法工作流程指示针仪表设备识读运算方法由C++编程语言展开程序编译完成，识读应用操作程序使用的主要功能模块运算函数具体如下所示表1.6所示，在这其中，使用的组成部分运算方法运算函数由Opencv视觉感官库供应。表1.6主要模块函数说明函数名称参数函数功能voidcvtColor()InputArraysrc,OutputArraydst,intcode图像灰度化voidequalizeHist()InputArraysrc,OutputArraydst直方图均衡化voidmedianBlur()InputArraysrc,OutputArraydst,intksize图像中值滤波intotus()InputArraysrc,OutputArraydst,doublemaxval,inttype阈值分割voidfindContours()InputOutputArrayimage,OutputArrayOfArrayscomponents,OutputArrayhierarchy,intmode,intmethod,Pointoffset=Point()二值图像连通域处理RectboundRect()voidcvtColor()InputArraysrc,OutputArraydst,intcode图像灰度化voidequalizeHist()InputArraysrc,OutputArraydst直方图均衡化voidmedianBlur()InputArraysrc,OutputArraydst,intksize图像中值滤波1.4识读系统测试1.4.1测试流程全面进入识读体系页面后，第一步要求参考依据待测仪表设备的示数值作用范围设立指示针仪表设备的标准量程，单击“开启摄像头设备”按键，“视频自动显示”服务窗口自动显示摄像头设备收集到的视频图片，把摄像头设备对准待测指示针仪表设备并且修改调配摄像头设备具体位置从而方便获取清楚完整系统的仪表设备盘图片，单击“抓拍并且识读”按键，体系就会抓取一帧图片并且使用指示针仪表设备识读应用程序，最终把识读最终结果与识读作用时间自动显示在相对应的信息文本框里，识读作用时间为体系从抓取图片开始到判读取示数所花的有效时间。为了简单化处理测试，指示针仪表设备识读应用程序把仪表设备指示针准确定位图片自动输出到“指示针准确定位”服务窗口。在本文中，笔者里的调试目标对象为沪工电气有限责任公司生产加工的一类标准量程为0-50V1.51.17指的是针仪表设备识读调试里的组成部分截图。（a）（b）(c)图1.17识读体系调试组成部分截