指針式儀表數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 系統(tǒng)采用ADSP—BF533+FPGA EP1C6T144C8架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)圖像采集、指針儀表識(shí)別與讀數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。DSP通過對(duì)采集到的圖像進(jìn)行灰度變換、邊沿檢測(cè)以及Hough變換等處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)指針式儀表表盤的識(shí)別、指針定位和讀數(shù)計(jì)算，以及指針讀數(shù)的存儲(chǔ)和傳輸。系統(tǒng)可通過串口實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸。FPGA接收DSP的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)COMS攝像頭采集控制、鍵盤掃描以及各器件的片選信號(hào)產(chǎn)生等功能。利用計(jì)算機(jī)SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)編寫上位機(jī)程序，可對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和備份。
關(guān)鍵詞 DSP技術(shù)；Hough變換；SQL Serve；數(shù)據(jù)采集；ADSP-BF533

指針式儀表因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、不受電磁場(chǎng)干擾、可靠性高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中。儀表檢測(cè)部門和儀表觀測(cè)單位在對(duì)儀表進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，其讀數(shù)通常由人工完成。由于人員視覺誤差引起讀數(shù)誤差，且讀數(shù)速度較慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大、觀測(cè)周期長(zhǎng)、工作效率低、易造成讀數(shù)精度低、可靠性差、重復(fù)率高等問題。同時(shí)，指針式儀表長(zhǎng)期使用后，由于表面污損也給人工讀數(shù)帶來了困難。因此，如何實(shí)現(xiàn)指針式儀表的自動(dòng)判讀，提高觀測(cè)效率和觀測(cè)精度，就成為需要解決的問題。
隨著數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用這兩種技術(shù)設(shè)計(jì)指針式儀表智能識(shí)別的方法受到人們關(guān)注，本文采用DSP技術(shù)，基于Hough變換的思想，開發(fā)了一套指針式儀表數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)，實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有讀數(shù)效率高、讀數(shù)準(zhǔn)確、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)60年代后，隨著數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能理論的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)取得了較大進(jìn)步，在許多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。所謂機(jī)器視覺技術(shù)，主要用計(jì)算機(jī)模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。
自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺替代人工視覺，同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。
指針式儀表的測(cè)定工作中存在頻繁而大量的指針與刻度位置的視覺比較工作，這正是機(jī)器視覺技術(shù)可以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域。目前，在指針式儀表檢定方面使用自動(dòng)化檢定裝置的產(chǎn)品較少，基本采用常規(guī)的檢測(cè)方法。自動(dòng)化檢定裝置作為研究方向一直在進(jìn)行之中，若自動(dòng)檢定系統(tǒng)研制成功并投入使用，將降低測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和人為因素造成的測(cè)量不確定性，對(duì)保證檢定的準(zhǔn)確可靠具有重要意義。
國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行指針式儀表圖像識(shí)別的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李鐵橋等，主要是對(duì)壓力表進(jìn)行了研究。王三武等人研究了水表多刻度盤的圖像識(shí)別檢定系統(tǒng)。李寶樹等提到了識(shí)別指針刻度線，但這些研究都未脫離指針偏角的識(shí)別方法。再就是一些針對(duì)羅經(jīng)、轎車部分儀表、飛機(jī)座艙零位儀表等的識(shí)別方案及設(shè)計(jì)。上述研究表明，指針式儀表自動(dòng)讀數(shù)識(shí)別的研究方法主要獲取指針的角度，根據(jù)角度關(guān)系計(jì)算出儀表的讀數(shù)。與人工讀數(shù)的方法不同，沒有根據(jù)指針與其最靠近的兩條刻度的位置關(guān)系來計(jì)算讀數(shù)，避免了在讀數(shù)準(zhǔn)確性上的不足。
文中設(shè)計(jì)了基于Hough變換的指針式儀表智能采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圖像采集、處理、存儲(chǔ)、顯示讀數(shù)、通信等功能，并將最終數(shù)據(jù)遞交上位機(jī)數(shù)據(jù)庫保存，如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際需要，指針式儀表數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)需要完成圖像采集、處理、存儲(chǔ)、輸出、讀數(shù)、通信等功能，對(duì)數(shù)據(jù)處理能力有較高要求。Blackfin系列處理器是AD公司和Intel公司針對(duì)高速嵌入式數(shù)字處理共同開發(fā)的高性能嵌入式DSP，其中ADSP—BF533當(dāng)時(shí)鐘頻率為600 MHz時(shí)性能達(dá)到1 200 MMACs，能很好滿足數(shù)字控制器處理能力的要求。因此，采用BF533為核心處理器，以SDRAM、Flash、CMOS圖像傳感器、RS485串行總線分路器等為外圍電路，構(gòu)建指針式儀表識(shí)別器平臺(tái)。