基于LabView的機(jī)器視覺(jué)工業(yè)零件檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū).docx

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目 錄 II 摘 要 III Abstract IV 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 視覺(jué)技術(shù)研究與應(yīng)用的必要性 1 1.3 國(guó)內(nèi)外典型研究 1 1.4 研究方法與內(nèi)容 2 2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù) 3 2.1 機(jī)器視覺(jué)的概述 3 2.2 機(jī)器視覺(jué)的分類 3 2.3 機(jī)器視覺(jué)的特點(diǎn)與應(yīng)用 4 2.4 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在應(yīng)用中的問(wèn)題 5 2.5 基于機(jī)器視覺(jué)的產(chǎn)品檢測(cè)系統(tǒng) 6 3 虛擬儀器與 LabVIEW 7 3.1 虛擬儀器簡(jiǎn)介 7 3.2 PXI 總線結(jié)構(gòu) 8 3.2 虛擬儀器的構(gòu)建技術(shù) 12 3.3 機(jī)器視覺(jué)與虛擬儀器結(jié)合的必然性 12 3.4 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng) 13 3.5 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 13 3.6 LabVIEW 編程軟件及其應(yīng)用 14 3.7 LabVIEW 的工作原理 14 3.8 LabVIEW 的特點(diǎn) 14 4 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 16 4.1 設(shè)計(jì)思路 16 4.2 工藝流程 17 5 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 5.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 19 5.2 硬件選取 19 5.3 圖像采集裝置結(jié)構(gòu)圖 20 5.4 檢測(cè)模塊電路原理設(shè)計(jì) 21 5.5 信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路原理設(shè)計(jì) 22 5.6 串口通信模塊設(shè)計(jì) 23 5.7 USB 接口模塊 24 6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 6.1 系統(tǒng)程序流程圖 27 6.2 LABVIEW 設(shè)計(jì)圖 27 7 結(jié)束語(yǔ) 33 參考文獻(xiàn) 34 致謝 37 基于 LabVIEW 的機(jī)器視覺(jué)工業(yè)零件檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 機(jī)器視覺(jué)是用機(jī)器來(lái)代替人眼做判斷和測(cè)量的技術(shù)，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中， 主要包括產(chǎn)品檢測(cè)、交通管理、工況監(jiān)視、醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，在大批量的生產(chǎn)過(guò)程中使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以大幅度提高質(zhì)量檢測(cè)、快速獲取產(chǎn)品信息，能夠自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息與加工成一體。目前大部分的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在圖像采集上擁有自己專門的 CPU 和設(shè)計(jì)電路，在軟件上需要編寫大量且復(fù)雜的程序，導(dǎo)致系統(tǒng)研發(fā)周期長(zhǎng)，難度大， 成本高。 本課題分析了目前機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用，闡述了機(jī)器視覺(jué)和虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)，選擇當(dāng)前最流行的美國(guó)國(guó)家儀器 National Instruments 公司研發(fā)的 LabVIEW 程序個(gè)圖像采集作為硬件研發(fā)環(huán)境，調(diào)用視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊 IMAQ Vision 專業(yè)化控件和函數(shù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)圖像采集、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、決策判斷以及 I/O 控制于一體的機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品檢測(cè)平臺(tái)。 本文主要介紹了機(jī)器視覺(jué)的概念、系統(tǒng)組成和發(fā)展趨勢(shì)、虛擬儀器技術(shù)與 LabVIEW 程序編程，分析了機(jī)器視覺(jué)在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用的困難，以及在圖像采集檢測(cè)中使用機(jī)器視覺(jué)的必要性。 關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；LabVIEW；IMAQ Vision；產(chǎn)品檢測(cè)平臺(tái) III Design of machine vision industrial parts detection system based on LabVIEW Abstract Machine vision is a technology that uses machines to replace human eyes to judge and measure. It is widely used in industry, mainly including product detection, traffic management, working condition monitoring, medical and health and other fields. The advantage of machine vision technology is to improve the production efficiency and the degree of automation. The use of machine vision technology in mass production process can greatly improve the quality detection, obtain the product information quickly, can automatically process, and realize the product information and processing into a whole. At present, most of the machine vision technology has its own special CPU and design circuit on the image acquisition. It needs to write a large number of complex programs on the software, which leads to the long development cycle, the difficulty and the high cost of the system. This topic analyzes the research and application of machine vision technology at home and abroad, expounds the characteristics of machine vision and virtual instrument technology, and chooses the LabVIEW program image acquisition which is the most popular American national instrument National Instruments company as the hardware R & D environment, and calls the visual development module IMAQ Vision special. Industrial control and function library to realize machine vision product detection platform integrated with image acquisition, machine vision inspection, decision making and I/O control. This paper mainly introduces the concept of machine vision, the composition and development trend of the system, the virtual instrument technology and the program programming of LabVIEW, analyzes the difficulties in the application of machine vision in the process of production, and the necessity of using machine vision in the image acquisition and detection. IV Keywords: machine vision; LabVIEW; IMAQ Vision; product testing platform. V 1 緒論 1.1 引言 機(jī)器視覺(jué)是指利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺(jué)功能，通過(guò)攝像機(jī)獲取信息然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)做出判斷與識(shí)別，從而控制設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類從外部世界獲得的信息大約有 80%是由視覺(jué)獲得的，這既說(shuō)明視覺(jué)信息量大，也表明人類對(duì)視覺(jué)信息有較高的利用率，同時(shí)又體現(xiàn)了視覺(jué)功能對(duì)人類的重要性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，給計(jì)算機(jī)、機(jī)器人或其他智能機(jī)器賦予了人類視覺(jué)的功能， 是人類多年以來(lái)的夢(mèng)想，雖然目前還不能夠使計(jì)算機(jī)、機(jī)器人或其他智能機(jī)器也具有像人類那樣高效、靈活和通用的視覺(jué)，但自 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)視覺(jué)理論和技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，這使人類的夢(mèng)想正在逐步實(shí)現(xiàn)。 1.2 視覺(jué)技術(shù)研究與應(yīng)用的必要性 隨著信號(hào)處理理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)噲D用攝像機(jī)獲取環(huán)境圖像并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)視覺(jué)信息處理的全過(guò)程，這樣就形成了一門新興的學(xué)科——計(jì)算機(jī)視覺(jué)，而機(jī)器視覺(jué)則是建立在計(jì)算機(jī)視覺(jué)的理論基礎(chǔ)上，偏重于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)工程化應(yīng)用，所以，視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展是有必要的。2008 年經(jīng)濟(jì)危機(jī)打擊了美國(guó)和世界的各個(gè)領(lǐng)域。在美國(guó)政府實(shí)施的“美國(guó)制造”計(jì)劃下，推出了一些鼓勵(lì)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的政策，而應(yīng)用可視化技術(shù)在此脫穎而出。近年來(lái)，勞動(dòng)工資成本在中國(guó)急劇上升，許多制造企業(yè)轉(zhuǎn)移到人力資源相對(duì)比較低的地區(qū)，而“中國(guó)制造”的聲譽(yù)日益提高，視覺(jué)檢測(cè)在自動(dòng)化程度高的所有領(lǐng)域勢(shì)在必行。視覺(jué)檢測(cè)在工業(yè)自動(dòng)化中的地位越來(lái)越重要，工業(yè)自動(dòng)化的需求促進(jìn)了可視化技術(shù)的高度集成。 1.3 國(guó)內(nèi)外典型研究 在國(guó)外，機(jī)器視覺(jué)主要應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)（40%-50%），比如：印刷電路、線路板、電子封裝、質(zhì)量檢測(cè)、SMT 表面貼裝以及電子生產(chǎn)加工設(shè)備，除此之外， 其他各個(gè)領(lǐng)域機(jī)器視覺(jué)都有廣泛的應(yīng)用。1994 年，S.T rika 對(duì)于機(jī)器視覺(jué)零件特征識(shí)別取得了進(jìn)一步的研究；1998 年，J.Merlet 在零件裝配中應(yīng)用了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)；1999 年，Du-Ming Tsai 發(fā)明了零件的非接觸測(cè)量（表面粗糙度）；2003 年，Eladaw.iA.E 在數(shù)控加工中應(yīng)用了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)；M.A.Smith 研究出一種新 9 的成果——檢測(cè)視頻幀中文本；韓國(guó)大學(xué) Kim 教授研究出了一種在視頻幀中文本里 Camshift 算法和基于支持向量機(jī)的檢測(cè)。從機(jī)器視覺(jué)的研究來(lái)看（數(shù)量和成果），日本都是遙遙領(lǐng)先，英、美、德、韓等各國(guó)都有研究。 與國(guó)外相比，我們國(guó)家在機(jī)器視覺(jué)技術(shù)方面的研究與國(guó)外還具有較大的落后，首先，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域在我們國(guó)家發(fā)展的就比較晚，只有在近幾年里才慢慢引進(jìn)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，導(dǎo)致目前機(jī)器視覺(jué)技術(shù)只能在低端方面應(yīng)用。目前隨著國(guó)家整體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其在提出科學(xué)技術(shù)才是第一生產(chǎn)力之后，機(jī)器視覺(jué) 技術(shù)逐漸出現(xiàn)在我國(guó)的各個(gè)行業(yè)中，國(guó)內(nèi)科研人士已經(jīng)對(duì)于采用圖像和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化、智能化的研究取得了進(jìn)一步的成功，比如：李留格在輪胎編號(hào)特征識(shí)別比對(duì)提出了 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法；李朝輝在提取視頻幀的高頻成分中出了形態(tài)算子的方法，采用了分離視頻中的文本字符，大大提高了識(shí)別速度與識(shí)別率。在機(jī)器視覺(jué)技術(shù)領(lǐng)域中，字符識(shí)別是一個(gè)重要的組成部分，它在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化以及文字信息處理等高技術(shù)領(lǐng)域里擁有中至關(guān)重要的應(yīng)用價(jià)值和理論意義。機(jī)器視覺(jué)在我們國(guó)家的應(yīng)用主要體現(xiàn)在工廠零件識(shí)別比對(duì)、礦泉水瓶蓋檢測(cè)以及制藥、印刷領(lǐng)域中都有應(yīng)用。這些都是低端方面的應(yīng)用，真正較為高級(jí)的應(yīng)用還比較欠缺，所以，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在我們國(guó)家發(fā)展前景巨大。 1.4 研究方法與內(nèi)容 本文主要目的是以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的基礎(chǔ)，將虛擬儀器 LabVIEW 作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行工業(yè)零件檢測(cè)，把兩者相結(jié)合，設(shè)計(jì)一個(gè)性價(jià)比高的機(jī)器視覺(jué)工業(yè)零件檢測(cè)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品檢測(cè)。 本文的主要研究?jī)?nèi)容理解機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的工作原理、了解機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的構(gòu)成部分、明白機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的圖像采集、通曉機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的圖像處理、領(lǐng)會(huì) LabVIEW 的算法設(shè)計(jì)、懂得硬件結(jié)構(gòu)的搭建，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的成功運(yùn)行，進(jìn)行工業(yè)零件的檢測(cè)。 2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù) 2.1 機(jī)器視覺(jué)的概述 機(jī)器視覺(jué)是利用光源和攝像機(jī)進(jìn)行物體的圖像采集，然后把采集的圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)字信號(hào)獲取其中的信息，從而控制設(shè)備動(dòng)作。機(jī)器視覺(jué)的工作原理是通過(guò) PC 模擬人的視覺(jué)功能，對(duì)客觀世界感知，通過(guò)采集的圖像分析現(xiàn)實(shí)世界的過(guò)程[3]，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)通常是利用機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品——圖像采集裝置（CCD 和 CMOS）采集目標(biāo)圖像，然后對(duì)其進(jìn)行圖像處理（亮度、顏色、尺寸和分布），最后進(jìn)行圖像比對(duì)，根據(jù)識(shí)別結(jié)果來(lái)獲得所需的信息以及控制設(shè)備。 2.2 機(jī)器視覺(jué)的分類 常見(jiàn)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以分為 PLC-Based 系統(tǒng)和 PC-Based 系統(tǒng)[8]: （1） PLC-Based 系統(tǒng) 從 PLC-Based 系統(tǒng)中可以看出，機(jī)器視覺(jué)的作用就是一個(gè)傳感器（智能化的），在 PLC-Based 系統(tǒng)里，它的圖像處理模塊是與整個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立的，圖像處理模塊在與 PLC 交換數(shù)據(jù)時(shí)是通過(guò) I/O 和串行總線進(jìn)行的，而它的硬件系統(tǒng)在處理圖像時(shí)大多是采用嵌入式計(jì)算機(jī)和專用且高速的 ASIC 進(jìn)行的，系統(tǒng)軟件在圖像處理器里，利用在計(jì)算機(jī)中開(kāi)發(fā)軟件，或是在簡(jiǎn)單的鍵盤裝置中對(duì)監(jiān)視器里的菜單執(zhí)行操作。 Image Checker M100/200 公司（日本松下集團(tuán)）執(zhí)行了灰度檢查（256 級(jí)別的）的數(shù)學(xué)與邏輯等功能，而 Siemens 公司（德國(guó)）在智能化的工業(yè)視覺(jué)技術(shù)上提出了在 PROFIBUS 系統(tǒng)里的解決方法。 綜上所述，我們可以看出，PLC-Based 系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：成本低、可靠性好、效率高、小型化以及集成化等。 （2） PC-Based 系統(tǒng) 在整個(gè) PC-Based 系統(tǒng)里，它包含著一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的圖像采集卡，其主要體現(xiàn)在它的高性能這一方面，它可以采用連接一個(gè)或者多個(gè)攝像頭，進(jìn)行實(shí)物的圖像數(shù)據(jù)采集，其作用是充當(dāng)整個(gè) PC-Based 系統(tǒng)的函數(shù)庫(kù)，目前使用 PC-Based 系統(tǒng)的公司也比較多，其中常見(jiàn)的有 Data Translation 公司和 NI 公司，這兩家公司都是美國(guó)公司，這也體現(xiàn)出提到的美國(guó)在機(jī)器視覺(jué)這一方面有比較突出的研究，其中 Data Translation 公司，該公司是在 Windows 的環(huán)境下采用 C 或者 C++ 進(jìn)行圖像編程，客戶可以簡(jiǎn)單而且快速的對(duì)它進(jìn)行使用。NI 公司則是注重研究開(kāi)發(fā)虛擬儀器 LabVIEW 軟件這一方面，而且他們是將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)完美的應(yīng)用在了工業(yè)控制這一部分。 綜上所述，我們可以看出，PC-Based 系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：成本低、靈活性高、開(kāi)放性好，同時(shí)還具有良好的 Windows 界面。 2.3 機(jī)器視覺(jué)的特點(diǎn)與應(yīng)用 機(jī)器視覺(jué)是利用利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，最終進(jìn)行圖像識(shí)別，主要體現(xiàn)出了工業(yè)生產(chǎn)的人工智能化，就科學(xué)圖像處理系統(tǒng)而言，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)具有以下特點(diǎn)： 機(jī)器視覺(jué)將人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識(shí)別等學(xué)科與工業(yè)生產(chǎn)緊密聯(lián)系在一起，這就使機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和科學(xué)圖像處理分析系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)： （1）非接觸性。這一特點(diǎn)我們?cè)诘谝徽赂攀鲋芯涂梢钥闯觯瑱C(jī)器視覺(jué)它是通過(guò)攝像機(jī)進(jìn)行采集圖像的，然后將采集到的圖像通過(guò)電信號(hào)輸送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化的處理，最后控制生產(chǎn)設(shè)備。 （2）編程算法簡(jiǎn)單易懂。目前，視覺(jué)技術(shù)主要采用采用虛擬儀器 LabVIEW 軟件編程，與傳統(tǒng)的 C 或者 C++相比，它的程序算法沒(méi)有 C 或者 C++那么復(fù)雜、冗長(zhǎng)，程序塊簡(jiǎn)單且易懂，用戶可以自己在 LabVIEW 軟件上直接編程操作。隨著科技的迅速發(fā)展，機(jī)器智能已逐漸取代人體勞作，這更加推動(dòng)了機(jī)器視覺(jué)軟件編程算法向精簡(jiǎn)方面的發(fā)展。 （3）廣義性?？茖W(xué)圖像處理系統(tǒng)是利用將圖像分析與處理后，對(duì)客觀世界進(jìn)行科學(xué)的解釋，而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是你通過(guò)攝像機(jī)采集圖像，然后將采集到的圖像通過(guò)電信號(hào)的方法傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行數(shù)字化的分析與處理后，最終執(zhí)行相應(yīng)的操作，與科學(xué)圖像處理系統(tǒng)相比，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)體現(xiàn)出來(lái)的意義更加廣泛。 （4）自動(dòng)化程度高。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，換而言之，就是講視覺(jué)賦予機(jī)器人， 從而代替人力勞作，這樣我們就可以節(jié)省很多時(shí)間，金錢以及完成一些高危險(xiǎn)或者我們?nèi)肆Σ豢赡芡瓿傻氖虑椤＿@也就體現(xiàn)了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)高效性和高自動(dòng)化程度。 （5）高可靠性、高精度、高適應(yīng)性、高效率和高速度。首先，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)它與人眼視覺(jué)不同，它不像人眼會(huì)疲勞，需要休息，而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以一天二十四小時(shí)不間斷的工作，其次，人眼視覺(jué)由于長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)受到周圍環(huán)境的影響會(huì)出現(xiàn)判斷誤差，還有，人眼對(duì)于一些高危險(xiǎn)的工作是無(wú)法進(jìn)行操作的，這些 都是人眼視覺(jué)與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)無(wú)法相提并論的。 因?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)技術(shù)擁有以上眾多優(yōu)點(diǎn)，所以，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)廣泛的應(yīng)用在社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域中，重要變現(xiàn)在一下幾點(diǎn)： （1）工業(yè)方面的應(yīng)用：主要包括產(chǎn)品檢測(cè)、自動(dòng)焊接、自動(dòng)裝配和生產(chǎn)流水線以及人類無(wú)法完成的高危險(xiǎn)工作等。 （2）交通、軍事和公安方面的應(yīng)用：在交通方面，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以識(shí)別車輛、車牌號(hào)碼、檢測(cè)交通和分析事故等；在軍事方面，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以模擬軍艦、坦克和飛機(jī)的訓(xùn)練，也可以巡航導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)、架勢(shì)無(wú)人飛機(jī)的飛行等； 在公安方面，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以監(jiān)控公共場(chǎng)所的安全及識(shí)別人臉、和指紋等。 （3）虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還可以模擬虛擬現(xiàn)實(shí)生活，主要包括模擬建模場(chǎng)景、模擬飛機(jī)駕駛員的訓(xùn)練、模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、模擬醫(yī)學(xué)手術(shù)等。通過(guò)對(duì)這幾點(diǎn)的模擬，我們可以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，避免在現(xiàn)實(shí)生活中出錯(cuò)。 （4）醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用， 因?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以替代醫(yī)生對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分析，主要應(yīng)用包括：分析染色體的形態(tài)、分類細(xì)胞中的紅細(xì)胞、白細(xì)胞以及對(duì)癌細(xì)胞的識(shí)別。 （5）農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的檢測(cè)時(shí)，可以排除外界環(huán)境的干擾，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的色澤、大小以及形狀進(jìn)行檢測(cè)，除此之外，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還可以對(duì)這些農(nóng)產(chǎn)品的特征進(jìn)行定量描述，這一點(diǎn)人工檢測(cè)是與之無(wú)法比擬的。 2.4 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在應(yīng)用中的問(wèn)題 目前，雖然機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，但是在機(jī)器視覺(jué)技術(shù)上我們?nèi)杂胁惶晟频牡胤?，這也極大的限制了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，此外，我我們對(duì)于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的研究做的還不到位，想要簡(jiǎn)歷一個(gè)與人眼視覺(jué)相比擬的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)還是比較困難的。主要原因包括： （1）外界因素對(duì)圖像的影響。在主觀世界中，物體要受到空氣、光源、物體本身的性質(zhì)以及攝像機(jī)的角度等影響。 （2）機(jī)器視覺(jué)技術(shù)雖然替代人眼視覺(jué)來(lái)做出判斷，但它分許出來(lái)的結(jié)果和人類的判斷存在這一定的誤差，我們是沒(méi)有辦法對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)闡述表明我們對(duì)事物的看法的，也無(wú)法對(duì)其進(jìn)行指導(dǎo)。 （3）采集到的圖像不充分。這主要體現(xiàn)在我們采集的物體是主觀世界中存在的，物體本身是三維景物，而在圖像采集呈現(xiàn)出來(lái)的是二維圖像，這就喪失了物體的深度信息。 視覺(jué)技術(shù)深?yuàn)W與復(fù)雜的機(jī)理讓我深知，我們?cè)谘芯亢桶l(fā)展機(jī)器視覺(jué)還要有很長(zhǎng)的路要走。 2.5 基于機(jī)器視覺(jué)的產(chǎn)品檢測(cè)系統(tǒng) 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的工作方式：首先，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采用攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集， 然后將采集到圖像通過(guò)電信號(hào)的方式傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理和分析后輸出結(jié)果，最后通過(guò)得到的結(jié)果控制設(shè)備動(dòng)作。 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的主要原因如下： （1）CCD 等硬件部分的成本的降低，這從經(jīng)濟(jì)上支持了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展；近年來(lái)，圖像處理技術(shù)也得到了大大的提高，這從技術(shù)上支持了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展；還有，目前社會(huì)生活中出現(xiàn)大量的高危險(xiǎn)工作，這是人類自己無(wú)法完成的，這也是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)迅速發(fā)展的前提所在。 （2）無(wú)論是社會(huì)生活中大批量的生產(chǎn)制造，還是目前人類已經(jīng)越來(lái)越重視生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化和生產(chǎn)質(zhì)量，這都使的擁有高精度、高速度、高效率和高可靠性的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中的脫穎而出。 3 虛擬儀器與 LabVIEW 3.1 虛擬儀器簡(jiǎn)介 3.1.1 虛擬儀器的概念 虛擬儀器是利用以計(jì)算機(jī)為載體來(lái)控制現(xiàn)實(shí)世界的自動(dòng)化測(cè)量和控制的系統(tǒng)，常見(jiàn)的一種虛擬儀器結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示。 圖 3.1 典型的虛擬儀器結(jié)構(gòu) 首先，通過(guò)傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)以物理量的形式轉(zhuǎn)換電量傳送給信號(hào)調(diào)理期，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理期的濾波、放大處理后，然后傳送給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送至計(jì)算機(jī)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能夠處理數(shù)字信號(hào)，最后，應(yīng)用軟件通過(guò)讀取數(shù)據(jù)采集卡中的數(shù)字信號(hào)， 進(jìn)行控制設(shè)備的動(dòng)作。從虛擬儀器的架構(gòu)中我們可以看出，虛擬儀器可以利用自己本身的硬件部分實(shí)現(xiàn)各類測(cè)試系統(tǒng)普遍適用的任務(wù)，而軟件部分則是來(lái)實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試系統(tǒng)的特別規(guī)定的任務(wù)，這就說(shuō)明，在虛擬儀器中更換測(cè)試任務(wù)僅僅只是需要更換權(quán)健編程部分就可以實(shí)現(xiàn)，這就體現(xiàn)出了使用虛擬儀器的高性價(jià)比與多功能性。 目前，虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)有很多種，National Instruments，NI 公司（美國(guó)國(guó)家儀器）研發(fā)的實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái) LabVIEW（Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench）是當(dāng)前最流行的程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，LabVIEW 軟件 ongoing 開(kāi)發(fā)的每一個(gè)程序稱為一個(gè) VI（Virtual Instruments）[1]，利用 LabVIEW 軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)有一下優(yōu)點(diǎn)： （1）程序開(kāi)發(fā)效率高。這是因?yàn)?LabVIEW 可以直接以經(jīng)典的信號(hào)處理函數(shù)和高級(jí)信號(hào)分析函數(shù)的圖標(biāo)形式展現(xiàn)給用戶，使用者僅僅需要連線 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，這樣使用者可以直觀、形象、便于修改和移植的使用 LabVIEW 軟件進(jìn)行編程。 （2）高效性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，用戶在使用 LabVIEW 作為開(kāi)發(fā)虛擬儀器的平臺(tái)時(shí)， 要比基本語(yǔ)言作為虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)效率要高的很多，大約是 10～15 倍。 （3）易集成。LabVIEW 程序不但能夠與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信，而且還可以與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，與此同時(shí)，LabVIEW 程序與數(shù)據(jù)采集硬件的集成是非常容易的。 （4）強(qiáng)功能性。LabVIEW 軟件在信號(hào)處理這一方面擁有強(qiáng)大的功能，這一點(diǎn)，組態(tài)軟件是與虛擬儀器無(wú)法相比的。 3.1.2 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) 目前，虛擬儀器的形式有很多種，們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)常見(jiàn)到的有以下幾種： （1） PXI 總線 PCI eXtensions for Instrumentation 總線結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱 PCI 總線，它通過(guò)擴(kuò)展才得到現(xiàn)在的 PXI 總線結(jié)構(gòu)，在 PXI 總線虛擬儀器結(jié)構(gòu)中，它的機(jī)箱上有很多個(gè)槽，在這些槽中，可以插入各類數(shù)據(jù)采集模塊，如圖 3.2 所示。 （2） CRIO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3.2 PXI 總線結(jié)構(gòu) CRIO 是 Compact Reconfigurable Input/Output 的簡(jiǎn)稱，它是有美國(guó) NI 公司研發(fā)的一種小巧化、新型化的采集系統(tǒng)，CRIOI 系統(tǒng)具有可靠性、實(shí)時(shí)性。如圖 3.3 所示，在 CRIO 機(jī)箱中，包含了 FPGA 芯片、信號(hào)調(diào)理模塊、實(shí)時(shí)控制器以及信號(hào)輸入/輸出模塊。在 CRIO 系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)完成后既可以與專門的硬件電路通信，還可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，這也是 NI 公司長(zhǎng)期霸占工業(yè)市場(chǎng)的主要原因。 （1） USB 總線結(jié)構(gòu) 圖 3.3 CRIO 結(jié)構(gòu) USB 總線結(jié)構(gòu)是利用 USB 接口向計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，美?guó)的 NI 公司也研發(fā)出專門的 Compact DAQ 系統(tǒng)，如圖 3.4 所示，該系統(tǒng)是通過(guò) USB 總線進(jìn)行計(jì)算機(jī)與機(jī)箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行通信。 圖 3.4 Compact DAQ 結(jié)構(gòu) （2） GPIB 或串口設(shè)備結(jié)構(gòu) GPIB 或串口形式的虛擬儀器結(jié)構(gòu)，不僅可以發(fā)揮傳統(tǒng)虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)，而且可以該高效的利用現(xiàn)有的技術(shù)資源，通用接口總線 GPIB 是傳統(tǒng)儀器和計(jì)算機(jī)的接口，PC 通過(guò) GPIB-USB 控制器（外部）、GPIB 通信卡（內(nèi)部）、GPIB 電纜， 進(jìn)行對(duì)傳統(tǒng)儀器的訪問(wèn)，如圖 3.5 所示。 19 （5）分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 3.5 GPIB 結(jié)構(gòu) 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是利用計(jì)算機(jī)串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接通信，美國(guó) NI 公司對(duì)這種系統(tǒng)有研發(fā)成果，常見(jiàn)的有 Filed Point 模塊和 Compact Filed Point 模塊， 其中 Compact Filed Point 模塊具有良好的抗震性、抗沖擊性且尺寸較小。Filed Point 模塊如圖 3.6 所示。 圖 3.6 Filed Point 模塊 3.1.3 虛擬儀器的特點(diǎn) 虛擬儀器是通過(guò)高效靈活的軟件以及高性能模塊化的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備動(dòng)作[1]，高性能的模塊化硬件可以提供定時(shí)、同步等軟/硬件平臺(tái)的應(yīng)用需求， 而高效靈活的軟件可以自定義的創(chuàng)建用戶界面。 虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器及數(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器的概念，是儀器領(lǐng)域內(nèi)的一次重大革命，虛擬儀器是繼智能化儀器 之后的新一代儀器，虛擬儀器的出現(xiàn)，代表了當(dāng)前測(cè)試儀器發(fā)展的方向，虛擬儀器的發(fā)展進(jìn)程如圖 3.7 所示。 圖 3.7 虛擬儀器的發(fā)展進(jìn)程 虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了制造商定義的傳統(tǒng)儀器，用戶可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需求，充分發(fā)揮自己的才華和想象空間，設(shè)計(jì)出自己需要的儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，硬件僅僅只是起到了輔助作用，硬件部分只是實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的輸入與輸出，用戶在改變?cè)O(shè)計(jì)需求時(shí)，只需要修改軟件部分，即 LabVIEW 的軟件編程，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表 3.1 所示。 表 3.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 比較內(nèi)容 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 可塑造性 用戶定義儀器功能，柔性 廠商定義儀器功能，剛性 連接 可方便的與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)連接 與其他儀器設(shè)備的連接有限 開(kāi)發(fā)費(fèi)用 軟件使得開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)降至最低 開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用高 技術(shù)更新周期 短（1 年～2 年） 長(zhǎng)（5 年～10 年） 系統(tǒng)構(gòu)成 軟件和硬件通用，軟件是關(guān)鍵 專用硬件系統(tǒng) 性價(jià)比 價(jià)格較低 價(jià)格較高 系統(tǒng)開(kāi)放性 開(kāi)放、靈活與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展 封閉、固定 編程與開(kāi)發(fā) 自己編程硬件，二次開(kāi)發(fā)強(qiáng) 無(wú)法自己編程硬件，二次開(kāi)發(fā)差 顯示選項(xiàng) 無(wú)限的顯示選項(xiàng) 有限的顯示選項(xiàng) 人機(jī)交互 無(wú)限的顯示選項(xiàng)，界面友好 有限的顯示選項(xiàng) 根據(jù)表 3.1 我們可以看出，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器擁有巨大的優(yōu)越性， 同時(shí)虛擬儀器要比傳統(tǒng)儀器顯得更加靈活，用戶可以自己利用軟件、硬件以及計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的搭建，目前，隨著產(chǎn)品的多樣化與復(fù)雜化，虛擬儀器體現(xiàn)出來(lái)的高效率、高可靠性、高精度、高速度以及高時(shí)效性等優(yōu)點(diǎn)，最終成為了人類的選擇。 3.2 虛擬儀器的構(gòu)建技術(shù) 在生產(chǎn)領(lǐng)域中，我們都知道，主要包括以下幾部分，采集數(shù)據(jù)、控制設(shè)備和監(jiān)控過(guò)程，這幾部分是必不可少的，當(dāng)然，虛擬儀器也同樣如此，它的組成主要包括調(diào)理與采集信號(hào)、數(shù)據(jù)的分析與處理和輸出結(jié)果與顯示。虛擬儀器的構(gòu)成如圖 3.8 所示。 圖 3.8 虛擬儀器的構(gòu)成 3.3 機(jī)器視覺(jué)與虛擬儀器結(jié)合的必然性 首先，隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的價(jià)格與過(guò)去的昂貴相比已經(jīng)不復(fù)存在，這使得很多用戶都可以接受高性價(jià)比的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。 其次，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PCI 總線的寬帶傳輸速率也大大提高，從以前的 ISA 總線的寬帶傳輸速率 3～5Mb/s 發(fā)展到了如今的 PCI 總線寬帶傳輸速率 95～132Mb/s，除此之外，PCI 總線還可以與設(shè)備進(jìn)行主模式的方式直接連接， 這樣系統(tǒng)就可以留出大量的時(shí)間為 CPU 處理其他工作，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的速度也會(huì)因此而得到大大的提高。 再者，人類對(duì)于 Windows 的操作系統(tǒng)與機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的深度研發(fā)，這使得機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更加可靠、快速。與此同時(shí)，在近幾年，Windows 平臺(tái)對(duì)于機(jī)器視覺(jué)的軟件研發(fā)也逐步完善，主要體現(xiàn)在算法的集成化，這就使得開(kāi)發(fā)者在研究算法上節(jié)省了大量的時(shí)間，大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)，系統(tǒng)的整體價(jià)格也得到了降低。 綜上所述，將虛擬儀器與機(jī)器視覺(jué)結(jié)合起來(lái)研發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)，不僅僅使得兩 者技術(shù)得到了充分的發(fā)揮，還大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)，還是得整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比、可靠性和靈活性大大提高。 3.4 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng) 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的基于硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)的基于硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，這主要體現(xiàn)在傳統(tǒng)的基于硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)它的硬件部分費(fèi)用較高，以及傳統(tǒng)的基于硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)它主要采用的編程語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言，這就導(dǎo)致它的開(kāi)發(fā)難度大，而基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，它不但結(jié)合了虛擬儀器和機(jī)器視覺(jué)的強(qiáng)大功能和低廉成本的特點(diǎn)，而且還縮短了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。此外， 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)以自己本身的高可靠性、高靈活性和高性價(jià)比在整個(gè)市場(chǎng)上脫穎而出。 3.5 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 常見(jiàn)的基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的組成部分包括：光源、攝像頭、傳感器、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)（核心）如圖 3.9 所示。 圖 3.9 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 （1）光源。在攝像頭對(duì)物體進(jìn)行圖像采集時(shí)，光照起到了至關(guān)重要的作用， 因?yàn)楣庹湛梢灾苯佑绊憟D像的質(zhì)量，常見(jiàn)的產(chǎn)生光源的器件是 LED 燈。 （2）攝像頭。攝像頭是對(duì)物體進(jìn)行圖像采集的器件，這就對(duì)攝像頭的選取這一部分有了嚴(yán)格的要求。 （3）計(jì)算機(jī)平臺(tái)。電腦是整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的核心，計(jì)算機(jī)通過(guò) CPU 實(shí)現(xiàn)處理圖像數(shù)據(jù)以及控制設(shè)備動(dòng)作，計(jì)算機(jī)完成了大部分操作，因此，我們說(shuō)計(jì)算機(jī)是 整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的核心。 （4）圖像采集卡。圖像采集卡的作用是將攝像頭采集到的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)，她的傳輸方式主要有 PCI 總線模式和 Compact PCI 總線模式。 3.6 LabVIEW 編程軟件及其應(yīng)用 LabVIEW 不同于傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言，傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言（Java、C、C++）采用文本的方式進(jìn)行編程，而 LabVIEW 軟件編程類似于 MATLAB，他們都是采用圖形符號(hào)進(jìn)行編寫程序。LabVIEW 編程軟件不僅可以應(yīng)用在 Mac、Windows、Linux 系統(tǒng)的計(jì) PC 上，而且還可以運(yùn)行在嵌入式的平臺(tái)上，主要包括包括微處理器、 DSP(DigitalSignalProcessor)和 FPGA(FieldProgrAmmableGateArray)。 3.7 LabVIEW 的工作原理 LabVIEW 的程序由一個(gè)或多個(gè) VI 構(gòu)成，其中，每一個(gè) VI 都由以下三個(gè)組件構(gòu)成：前面板、圖標(biāo)、框圖。前面板的 VI 的人交互界面，前面板主要包含按鈕、圖形和旋鈕，作為輸入與輸出。圖標(biāo)表示 VI 的圖形，用戶可以直接作為圖形使用?？驁D是用戶編寫的程序，有程序執(zhí)行控制結(jié)構(gòu)、內(nèi)置函數(shù)、常量、低級(jí)VI。用戶只需要將對(duì)象連線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，框圖上的終端對(duì)應(yīng)的是前面板， 數(shù)據(jù)通過(guò)用戶傳送給程序，最后由程序傳送給用戶。在 LabVIEW 調(diào)用程序時(shí)，首先，將一個(gè)程序分成一些的子程序，其次，利用每一個(gè) VI 來(lái)完成子程序，最后， 將每一個(gè) VI 進(jìn)行連接，主要體現(xiàn)出了模塊化的編程，每個(gè)子 VI 都可以進(jìn)行單獨(dú)調(diào)用，使用這種體系結(jié)構(gòu)，提升了 LabVIEW 的模塊化編程，除此之外，每一個(gè) VI 執(zhí)行的任務(wù)是很多程序通用的，這樣就保證了每一個(gè)程序的單獨(dú)調(diào)用。 3.8 LabVIEW 的特點(diǎn) LabVIEW 作為圖形化編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)軟件，以簡(jiǎn)潔、自然、直觀的形式呈現(xiàn)給用戶，用戶只需要將定義好的 VI 模塊拖哦程序框圖里，就可以實(shí)現(xiàn)整體的設(shè)計(jì)，這樣不僅僅節(jié)省了用戶的程序設(shè)計(jì)見(jiàn)，還大大的提高了生產(chǎn)效率。 LabVIEW 的主要特點(diǎn)： （1）圖形化的儀器編程環(huán)境； （2）支持 TCP/IP、DDE 的功能； （3）可以直接調(diào)用其他平臺(tái)的模塊； （4）內(nèi)置有程序編譯器，提高了運(yùn)行速度； （5）提供 VXI、GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的驅(qū)動(dòng)程序； （6）支持多種系統(tǒng)的研發(fā)，可以直接進(jìn)行程序的移植； （7）靈活的程序調(diào)試手段，可以在源代碼中靈活的調(diào)用程序。 4 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 4.1 設(shè)計(jì)思路 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖 4.1 所示： 圖 4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 本系統(tǒng)主要由圖像處理模塊、信號(hào)處理模塊、上位機(jī)監(jiān)控模塊、圖像采集模塊、檢測(cè)模塊組成，其中檢測(cè)模塊為一個(gè)光電傳感器，用于檢測(cè)零件是否到達(dá)指定的位置。信號(hào)處理模塊為 STC89C51 型號(hào)的單片機(jī)，通過(guò)串口通信將信號(hào)傳送到上位機(jī)監(jiān)控界面上。圖像采集、處理模塊為一個(gè) CCD 工業(yè)攝像機(jī)和圖像采集卡， 可以采集到質(zhì)量很好的圖像、具有良好的抗噪能力。監(jiān)控模塊為 LabView 軟件編寫的監(jiān)控界面。 4.2 工藝流程 待檢測(cè)零件運(yùn)動(dòng)及檢測(cè)過(guò)程如圖 4.2、圖 4.3、圖 4.4 所示： 圖 4.2 流程圖（待檢測(cè)零件未到達(dá)光源位置時(shí)） 圖 4.3 流程圖（待檢測(cè)零件到達(dá)光源位置時(shí)） 圖 4.4 流程圖（待檢測(cè)零件到達(dá)相機(jī)位置時(shí)） 光電開(kāi)關(guān)與相機(jī)和光源保持靜止，首先，將待檢測(cè)零件放在傳送帶上，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到待檢測(cè)零件時(shí)，光電開(kāi)關(guān)將信號(hào)傳到單片機(jī)，通過(guò)串口通訊，單片機(jī)將零件過(guò)來(lái)的信號(hào)傳到上位機(jī)內(nèi)，上位機(jī)準(zhǔn)備就緒。同時(shí)，單片機(jī)發(fā)出電平信號(hào)到連接相機(jī)的繼電器內(nèi)，使相機(jī)和光源打開(kāi)，完成圖像采集，采集到的圖像經(jīng)過(guò)圖像采集卡，再傳送到單片機(jī)內(nèi)，通過(guò)與上位機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行模式匹配，來(lái)判斷該零件的尺寸，大小，螺紋，表面缺陷性等是否符合要求。整個(gè)系統(tǒng)具有連貫性，可連續(xù)工作。 5 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到傳送帶上的零件時(shí)，相機(jī)工作對(duì)圖片進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò) STC89C51 對(duì)圖片進(jìn)行傳送給 PC 上位機(jī)進(jìn)行零件識(shí)別比對(duì)，總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖 5.1 所示： 圖 5.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 5.2 硬件選取 （1）光源：選取紅光十字線激光筆，如圖 5.2 所示： 圖 5.2 光源 （2）工業(yè)相機(jī)：選用帶支架便于調(diào)節(jié)高度 CCD 攝像機(jī)，工業(yè)相機(jī)與支架如圖 5.3、5.4 所示： 圖 5.3 工業(yè)相機(jī) 圖 5.4 工業(yè)相機(jī)支架 （3）數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)采集卡選用 SDK878A 型號(hào)，SDK878A 數(shù)據(jù)采集卡原理框圖如圖 5.5 所示： 圖 5.5 SDK878A 數(shù)據(jù)采集卡原理框圖 5.3 圖像采集裝置結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)傳送帶上的待檢測(cè)的零件經(jīng)過(guò)相機(jī)時(shí)，相機(jī)對(duì)其進(jìn)行圖片采集，采集理結(jié)構(gòu)圖如圖 5.6 所示： 29 圖 5.6 采集模塊結(jié)構(gòu)圖 待測(cè)零件由傳送帶從左向右傳送，當(dāng)?shù)竭_(dá)光電開(kāi)關(guān)處，光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到零件后，將發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)再通過(guò) RS232 串口通信將信號(hào)發(fā)至上位機(jī)。同時(shí)再將信號(hào)傳送給連接相機(jī)的繼電器，使相機(jī)打開(kāi)工作。 5.4 檢測(cè)模塊電路原理設(shè)計(jì) 圖 5.7 檢測(cè)模塊電路原理設(shè)計(jì)圖 檢測(cè)模塊電路原理設(shè)計(jì)圖如圖 5.7 所示，該電路工作原理：當(dāng)模塊受遮擋距離小于設(shè)定值時(shí)，數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸出指示燈點(diǎn)亮，D0 輸出低電平，表示光電傳感器檢測(cè)到待檢測(cè)物到達(dá)指定位置；當(dāng)模塊在遮擋距離大于設(shè)定值時(shí)，數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸出指示燈 D2 不亮，D0 輸出高電平；檢測(cè)模塊電路實(shí)物圖如圖 5.8 所示： 圖 5.8 檢測(cè)模塊電路實(shí)物圖 光電傳感器的工作原理：將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。光電傳感器有三部分組成：接收器、檢測(cè)電路、發(fā)射器。發(fā)射器主要是提供光束，常見(jiàn)的發(fā)射器主要是發(fā)光二極管（LED 燈）；接收器有光電池、光電二極管、光電三極管組成；檢測(cè)電路的作用是濾波。 5.5 信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路原理設(shè)計(jì) （1）ST89C51 模塊 圖 5.9 ST89C51 模塊設(shè)計(jì)圖 ST89C51 模塊設(shè)計(jì)圖 5.9 所示，該電路工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī) P1.1 接受來(lái)自光電傳感器的信號(hào)，P3.0 再通過(guò) RS232 串口通信將信號(hào)傳送給上位機(jī)；P2.7 口將信號(hào)傳送給驅(qū)動(dòng)相機(jī)的電路。 本模塊選用的信號(hào)處理器型號(hào)為 ST98C51 單片機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是：它的對(duì)象處理是位，而不是字或者字節(jié)，它的處理器是一套從內(nèi)部硬件至軟件有完整的操作系統(tǒng)。它不僅僅能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，而且還能夠處理特殊功能的寄存器的位，功能齊全。此外，51 系列在片內(nèi)開(kāi)辟了 RAM 區(qū)間雙重功能，不但可以處理節(jié)，還惡意對(duì)位進(jìn)行處理。 5.6 串口通信模塊設(shè)計(jì) 圖 5.10 串口通信模塊設(shè)計(jì)圖 串口通信模塊設(shè)計(jì)圖如圖 5.10 所示，該電路工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收到 PC 機(jī)數(shù)據(jù)信息后，進(jìn)行查找協(xié)議，完成相應(yīng)的操作。當(dāng)單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)信息為 0xA1 時(shí)，單片機(jī)讀取 P0 端口的數(shù)據(jù)，并返回給 PC 機(jī)；當(dāng)單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)信息為的 0xA2 時(shí)，單片機(jī)從 PC 機(jī)接收一段控制數(shù)據(jù)；當(dāng) PC 機(jī)接收到的數(shù)據(jù)信息為 0xA3 時(shí)，單片機(jī)操作成功。 本模塊選用的負(fù)載型號(hào)為 RS232 串口模塊。 通信協(xié)議是通信設(shè)備在通信前的約定。約定如下： 0xA1：?jiǎn)纹瑱C(jī)讀取 P0 端口數(shù)據(jù)，并將返回 PC 給機(jī)； 0xA2：?jiǎn)纹瑱C(jī)從 PC 機(jī)接收一段控制數(shù)據(jù)； 0xA3：?jiǎn)纹瑱C(jī)操作成功。 5.7 USB 接口模塊 圖 5.11 USB 接口模塊 USB(通用串行總線)，是連接計(jì)算機(jī)與外設(shè)的一種串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范，支持即插即用及熱插拔功能；USB 的設(shè)計(jì)是非對(duì)稱的， 它的才部分包括：主機(jī)控制器和集線器設(shè)備；最多可以控制 5 級(jí)集線器，包括 Hub 在內(nèi)最多可以連接 128 個(gè)設(shè)備，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)采用 7 位尋址字段,USB 接口模塊圖如圖 5.11 所示。 圖 5.12 AD 轉(zhuǎn)換模塊 ADC0809 由一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器、一個(gè) 8 路模擬開(kāi)關(guān)、一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器和一個(gè)地址鎖存與譯碼器組成。當(dāng) OE 端口輸出為高電平時(shí)，三態(tài)輸出鎖器對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，而 A/D 轉(zhuǎn)換器是將 8 路模擬開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，AD 轉(zhuǎn)換模塊如圖 5.12 所示。 ADC0809 對(duì) 8 路模擬開(kāi)關(guān)輸入是有要求的，電壓范圍是 0～5V，輸入信號(hào)為單極性。 圖 5.13 DA 轉(zhuǎn)換模塊 DAC0832 的兩級(jí)輸入寄存器，使 DAC0832 芯片有三種輸入方式：直通、單緩沖、雙緩沖，從而適合多路 D/A 的同步轉(zhuǎn)換、異步輸入等需求，它的采樣頻率為八位的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片，DA 轉(zhuǎn)換模塊圖如圖 5.13 所示。 圖 5.14 ICL 模塊 ICL7660 是 Maxim 公司生產(chǎn)的小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器。ICL 模塊如圖 5.14 所示，ICL7660 的輸入電壓范圍為 1.5～10V，靜態(tài)電流值為 170μA，工作頻率為 10kHz，僅僅需要外接 10μF 的小體積電容，效率高達(dá) 98％，符合輸出 100mA 的要求。 6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.1 系統(tǒng)程序流程圖 系統(tǒng)程序流程圖如圖 6.1 所示： 圖 6.1 系統(tǒng)程序流程圖 6.2 LABVIEW 設(shè)計(jì)圖 系統(tǒng)軟件是通過(guò) LabVIEW 進(jìn)行編寫程序,主程序的流程為"當(dāng)零件到達(dá)檢測(cè)位置時(shí),控制器向主計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào),計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像采集、特征邊緣提取、計(jì)算參數(shù)后，顯示最終結(jié)果。 程序編制步驟（主要是用 LabView 軟件實(shí)現(xiàn)圖像的處理以及模式匹配與識(shí)別）：該系統(tǒng)先通過(guò)位于工作臺(tái)上方的相機(jī)來(lái)采集零件的圖像，相機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線和圖像采集卡將圖像數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò) LabVIEW 的 vison 模塊對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理、特征提取并與計(jì)算機(jī)中的模板相匹配，最終判斷零件是否符合要求。 6.2.1 前面板設(shè)計(jì) 圖 6.2 LABVIEW 前面板設(shè)計(jì)圖 前面板包含相機(jī)選項(xiàng)、圖像顯示界面、匹配結(jié)果文本框，LABVIEW 前面板設(shè)計(jì)圖如圖 6.2 所示（為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本文用證件照代替工業(yè)零件進(jìn)行檢測(cè)）。 6.2.2 檢測(cè)結(jié)果 （1）當(dāng)檢測(cè)的零件與數(shù)據(jù)庫(kù)里的零件相匹配時(shí)，如圖 6.3 所示，則在合格工件數(shù)里顯示加 1。 圖 6.3 檢測(cè)合格示意圖 （2）如果檢測(cè)零件與數(shù)據(jù)庫(kù)不匹配，如圖 6.4 所示，則在不合格工件數(shù)欄里顯示加 1。 圖 6.4 檢測(cè)不合格示意圖 6.2.3 后面板設(shè)計(jì) （1）圖像采集模塊 該模塊主要運(yùn)用 NI 的 VDM 模塊進(jìn)行圖像采集，并放置于 while 循環(huán)中，當(dāng)按下程序執(zhí)行按鈕時(shí)，則執(zhí)行圖像采集過(guò)程，并在前面板中示如圖 6.5 所示： 圖 6.5 LABVIEW 后面板設(shè)計(jì)圖 當(dāng)圖像采集完成之后，就要對(duì)圖像進(jìn)行處理和匹配，預(yù)存的圖片路徑保存在程序框圖中 IMAQ ReadFile 模塊中，當(dāng)采集到的零件圖像與預(yù)存的圖像能匹配成功時(shí)，則跳出 while 循環(huán)，并且在前面板中顯示匹配成功，反之亦然。 圖 6.6 LabVIEW 視覺(jué)包 IMAQ Vision 的函數(shù)分為四個(gè)部分：機(jī)器視覺(jué)、圖像信息采集、處理、分析， 如圖 6.6 所示。 （2）配置和采集圖像模板 圖 6.7 調(diào)用相機(jī)模塊 調(diào)用相機(jī)模塊如圖 6.7 所示，從圖中可以看出，主要用到了下邊三個(gè)模塊： IMAQdx Grab、IMAQdx Configure Grab、IMAQdx Open Camera。其中 IMAQdx Open Camera 模塊主要提供了調(diào)用相機(jī)的功能。 37 IMAQdx Configure Grab 的功能主要是采集圖像，如圖 6.8 所示。 圖 6.8 圖像采集模板 IMAQdx Grab 的主要功能是配置圖像，如圖 6.9 所示。 圖 6.9 圖像配置模塊 通過(guò)該視覺(jué)處理模塊，能很好的達(dá)到檢測(cè)零件是否符合要求的目的，最大限度的提取零件表面的特征，將反映零件紋理的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)作比較，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的預(yù)存的圖像進(jìn)行匹配，由此判斷零件的質(zhì)量如圖 6.10 所示。 圖 6.10 圖像匹配模塊 7 結(jié)束語(yǔ) 本文通過(guò)對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)分析與研究，完成了硬件部分與廉部分的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了工業(yè)零件的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 本論文主要的研究成果如下： （1）以典型的機(jī)器視覺(jué)結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，搭建與系統(tǒng)相符的硬件平臺(tái)； （2）采用 LabVIEW 編程軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，不僅提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性、高精度和擴(kuò)展性，而且縮短了整個(gè)他的開(kāi)發(fā)周期，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視覺(jué)系統(tǒng)的缺陷； （3）利用 IMAQVision/VisionAssistant 圖像處理模塊，使系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)與擴(kuò)充。 （4）選擇了合理的圖像處理方法與過(guò)程，編寫設(shè)計(jì)所需的算法。 但是，由于本論文的研究?jī)?nèi)容與技術(shù)較多，所以在設(shè)計(jì)中仍有一些不完善的地方，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)： （1）機(jī)器視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)通訊等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合。 （2）多傳感器測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。 （3）圖像處理和各類圖像分割算法的進(jìn)一步研究。對(duì)于以上三點(diǎn)的研究有待完善。 參考文獻(xiàn) [1] 肖成勇，雷振山，魏麗.LabVIEW 2010 基礎(chǔ)教程[M].北京.中國(guó)鐵道出版社 2012. 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