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完整word版基于虚拟仪器的颜色识别
第一章绪论
1.1引言
颜色识别系统在现代工业中发挥着重要作用,不论是材料,工业自动化,遥感技术,图像处理,产品质量的检测,还是某些模糊的检测技术,都需要对颜色进行探测识别。
本文主要介绍的是基于虚拟仪器的颜色识别系统,该系统通过红外线色差传感器对被检测物体的表面进行初步数据采集,然后由数据采集卡把电压信号传送给labvieW虚拟仪器,虚拟仪器对接收到的电压信号进行比对分析,最终得出被测物体的表面颜色。
计算机和仪器的密切结合是目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,目前已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(virtualinstruments)主要是指这种方式,充分利用现有计算机资源,配以独特设计的软硬件,实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。
传统仪器与虚拟仪器最重要的区别在于:
虚拟仪器的功能由用户使用时自己定义,而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的。
从这一意义上讲,那些功能固定的插卡式计算机仪器不能称作虚拟仪器。
而且,没有面向科技与工程人员的图形化开发平台就难以涉及虚拟仪器。
普通的PC有一些不可避免的弱点。
用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。
近年来,伴随着计算机技术、软件技术和总线技术的迅猛发展,仪器以及自动测试技术也发生了革命性的变化。
1987年,VXI总线的诞生标志着仪器与自动测试技术发展进入了一个崭新的阶段,虚拟仪器的概念也深入人心,应用领域不断拓展。
计算机技术逐渐渗透到测量和仪器仪表技术领域,使该领域的面貌发生了重大的更新。
传统仪器的硬件被软件代替,用户通过软件来构造和更改仪器功能,使得一些实时性要求很高,原本由硬件甚至许多用硬件完成的功能,可以通过软件来实现。
电路难以解决或根本无法解决的问题,也可以采用软件技术很好地加以解决。
借助计算机强大的软件功能和硬件优势,加上GPIB仪器技术、VXI总线技术以及在计算机总线基础上发展起来的DAQ板卡技术等的升级与更新,使得虚拟仪器的功能越来越强大,性能也越来越优化。
在实际测量中,一个测量任务往往需要不同的测试仪器来完成。
例如在航空电台测试中,需要射频信号源、音频电压表、射频频率计、音频信号发生器、失真度仪、存储示波器、射频功率计、调制度仪等仪器,这使得测试系统造价昂贵,体积、重量庞大,操作复杂,测试分析效率也比较低。
在此基础上,逐渐产生了“集成测试”的思想。
所谓“集成测试”,就是将众多的测试仪器集成在一个软件库中,通过与若干专用的硬件和接口搭配,使之在一台计算机中实现被集成测试仪器的全部功能,从而代替众多昂贵、复杂的测试仪器。
通过充分共享计算机的资源,大大减少了测试仪器操作与维护的时间和复杂性,降低了测试仪器的价格,进而大大减少测量的费用,提高测量效率。
集成测试充分体现了“软件就是仪器”的概念。
随着各种现场可编程器件和在线编程技术的发展,仪器仪表的构建也朝着柔性化方向发展。
在系统可编程(ISP,InSystemProgrammability)技术与虚拟仪器技术的结合,使得仪器的设计更加容易。
在此基础上开发的快速可重构虚拟仪器系统,它的功能可根据需要完全由用户自己设计、定义,而不是仅能由专业开发人员定义。
仪器仪表的参数甚至结构不必在设计时就确定,而可以在仪器使用的现场实时置入和动态修改。
ISP是指在用户自己设计的目标系统中或线路板上为可重构逻辑器件进行编程或反复编程的能力。
这种重构可以在实验开发过程中、制造过程中甚至在交付用户使用后在现场进行或通过Internet进行。
ISP技术的应用,给仪器仪表系统的设计带来了革命性的变化。
它使得仪器仪表的硬件系统不再是固定的结构,而具有了软件的灵活性。
用户在设计过程中可以自主搭配“软件”所代表的硬件模块,来组建虚拟仪器,这种“软”硬件的全新设计概念,使系统具有了极强的灵活性和适应性。
1.2国内外研究现状
近年来,虚拟仪器技术在国内外发展很快。
虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代,那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。
PC机出现以后,仪器级的计算机化成为可能,甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前,NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。
对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。
虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟,体现了计算机技术对传统工业的革命。
大致说来,虚拟仪器发展至今,可以分为三个阶段,而这三个阶段又可以说是同步进行的。
第一阶段,利用计算机增强传统仪器的功能。
由于GPIB总线标准的确立,计算机和外界通信成为可能,只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来,用户就可以用计算机控制仪器。
随着计算机系统性能价格比的不断上升,用计算机控制测控仪器成为一种趋势。
这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。
第二阶段,开放式的仪器构成。
仪器硬件上出现了两大技术进步:
一是插入式计算机数据处理卡(plug-inPC-DAQ);二是VXI仪器总线标准的确立。
这些新的技术使仪器的构成得以开放,消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。
第三阶段,虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。
软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。
许多行业标准在硬件和软件领域以产生,几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。
发展到这一阶段,人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。
从仪器的发展历史可以看出,仪器领域已经历了两次技术革命。
第一次仪器革命是由于数字电子技术的发展引起的,使仪器形态进入了数字化仪器时代;第二次仪器革命是由于微处理器的大量应用引起的,使仪器形态进入了智能仪器时代。
目前,仪器领域正在进行第三次仪器革命,这次革命是由通用计算机硬软件技术的进步引起的,这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时期:
虚拟仪器时代。
虚拟仪器技术经过十几年的发展,而今正沿着总线与驱动程序标准化、硬/软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。
以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正日趋完善,建立在虚拟仪器技术上的各种先进仪器将会层出不穷。
虚拟仪器技术在发达国家的推广应用十分普及,在电子测量领域、过程控制领域,以及与人们的生活息息相关的许多其他领域。
1.3本论文的主要工作
本论文在对颜色识别的相关理论和技术的深入了解的基础上,设计开发了一套基于虚拟仪器的颜色识别系统。
课题主要探讨了色差传感器的工作原理、数据采集卡的安装、labvIEW程序设计以及系统的完善。
全文的章节安排如下:
第一章,简要地介绍了当今虚拟仪器技术基本概况和本论文的研究内容。
第二章,详细介绍了系统的基本功能与结构、传感器的工作原理和数据采集卡的配置。
第三章,主要介绍了该颜色识别系统labvIEW程序部分的设计思路。
第四章,简略分析了系统运行时可能产生的各种偏差以及预防措施。
第二章系统硬件部分工作原理
基于虚拟仪器的颜色识别系统是一套完整的由硬件部分和软件部分所共同组成的颜色识别系统。
该系统可实现在环形输送线上对物体表面颜色的识别,在近距离低速运行的条件下可识别金属以及非金属物体的六种表面颜色。
该系统在完成颜色识别的同时在显示器上能即时地显示出信号波形以及当前物体的表面颜色。
2.1系统的功能及整体方案设计
该系统有硬和软件两部分组成,硬件部分主要用于数据的获取,软件部分则用于数据处理和结果显示。
硬件部分主要由环形输送线试验台,红外色差传感器,数据采集卡这三部分组成。
被检测物体在实验台上匀速移动经过红外色差传感器,传感器通过物体表面的红外反射强度得到原始的电压信号,该电压信号经过数据采集卡进行ad转换最终传送给计算机,计算机内的软件部分对实时传送的数据进行处理分析,从而得出当前物体的表面颜色。
2.2红外色差传感器
红外技术发展到现在,已经为大家所熟知,这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。
红外传感系统是用红外线为介质的测量系统,按照功能能够分成五类:
辐射计,用于辐射和光谱测量;搜索和跟踪系统,用于搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置并对它的运动进行跟踪;热成像系统,可产生整个目标红外辐射的分布图像;红外测距和通信系统;混合系统,是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。
目前,全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。
有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。
新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
2.2.1传感器简介
该系统所选用的是DRCOL-B红外反射式色差传感器,如图下所示。
红外反射式色差传感器的工作原理是依据不同颜色的物体表面对红外线的吸收率不同(反射率也就不同)。
在相同的测试距离上,黑色的吸收率最高,白色的吸收率最低。
在标准测试距离上(5~10mm),随环形输送线提供的三种测试颜色样品在DRCOL-B色差传感器的测试结果如下:
2.2.2主要技术指标与使用方法
主要技术指标
工作电压:
DC12V
标准探测距离:
10mm
三色识别:
蓝、红、黄
输出电压:
0~5V
使用方法
将DRCOL-B红外反射式色差传感器安装到环形输送线实验台相应位置上,注意调整好传感器与输送带上物块之间的距离。
将传感器的信号输出端接入相应的数据采集仪A/D通道中,传感器的信号输出采用五芯航空插头,其输出插头的定义方式上图所示,各引脚定义为:
1,输出;2,地;3,+5V。
打开DRVI虚拟仪器平台,启动DRVI虚拟仪器平台中的颜色识别实验脚本,即可进行颜色识别测量工作。
2.2.3颜色的划分
根据试验台说明书说提供的数据最初该传感器共可识别三种颜色,根据设计要求最终需要完成五种颜色的识别,所以要对三段范围进行更细致的划分。
下图为对三种颜色的物体进行试验所得结果
红色物块输出电压2600mv
黄色物块输出电压5000mv
蓝色物块输出电压为300mv
用表面材质相同的红色蓝色和黄色物块进行多次试验。
结果表明蓝色物体的输出数值始终在0~1000mv,黄色物体的输出数值始终为传感器的最大输出即5000mv,而红色物体的输出数值则变化较大,且大于2000mv。
根据色差传感器的原理,从黑色到白色对红外线的反射会逐渐增强,黑色对红外线的反射最小,白色最大。
所以在红色和蓝色之间添加1000mv~2000mv的区域,这个区域对应深绿色。
在3000mv~4000mv添加一个区域对应橙色。
这样就初步得出了新的颜色划分。
颜色
输出电压(mv)
黄色
5000
橙色
3000~4000
红色
2000~3000
绿色
1000~2000
蓝色
200~1000
这种划分只是初步方案虽,此方案然可以增加可是别的颜色种类但是会降低系统的可靠性即在颜色识别过程中出现偏差的可能性会更大,所以还需要进一步的完善。
2.3数据采集卡
数据采集(DAQ),是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。
数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
数据采集卡,即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡,可以通过USB、PXI、PCI、PCIExpress、火线(1394)、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。
在工业现场,我们会安装很多的各种类型的传感器,如压力的温度的流量的声音的电参数的等等,受现场环境的限制传感器信号如压力传感器输出的电压或者电流信号不能远传或者因为传感器太多布线复杂,我们就会选用分布式或者远程的采集卡在现场把信号较高精度地转换成数字量,然后通过各种远传通信技术(如485、232、以太网、各种无线网络)把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。
这种也算作数据采集卡的一种,只是它对环境的适应能力更强,可以应对各种恶劣的工业环境。
如果是在比较好的现场或者实验室,如学校的实验室,就可以使用USB/PCI这种采集卡。
和常见的内置采集卡不同,外置数据采集卡一般采用USB接口和1394接口,因此,外置数据采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡。
数据采集卡,绝大多数集中在采集模拟量、数字量、热电阻、热电偶,其中热电阻可以认为是非电量(其实本质上还是要用电流驱动来采集)其中模拟量采集卡和数字量采集卡用得是最广泛的。
现在市场上有一种二合一采集卡,二合一,指的是数字模拟采集卡,AV+DV采集卡,数字、模拟二合一,数字输入输出,模拟接口输入(DV/AV/S-video)。
最后虽然说是采集卡,但实际应用中经常需要它输出控制信号。
采集卡广泛应用于安防监控、教育课件录制、大屏拼接、多媒体录播录像、会议录制、虚拟演播室、虚拟现实、安检X光机、雷达图像信号、VDR纪录仪、医疗X光机、CT机、胃肠机、阴道镜、工业检测、智能交通、医学影像、工业监控、仪器仪表、机器视觉等领域。
2.3.1PCI-6024E数据采集卡简介
PCI-6024E数据采集卡
16路单端/8路差分模拟输入,12位精度,200KS/s采样率,200KS/s磁盘写入速度,±0.05到±10V输入范围,最多两路12位模拟输出,最多32条数字I/O线,两路24位计数器/定时器
PCI-6024E的模拟量输入形式共有三种单点采集、波形采集、连续采集。
单点采集即采集设备从一个或多个输入通道分别获取一个信号值,然后LabVIEW立即返回这个值,这是一个即时、无缓冲的操作。
效率和灵活性低。
波形采集即在计算机内存中开辟一段缓冲区,设备将采集的数据存入其中,当指定的数据采集完成后,LabVIEW再将缓冲区中的数据一次读出,此时输出的是一段有限长度的信号波形。
连续采集即开辟一段循环缓冲区,设备连续采集数据并将数据向缓冲区中存放的同时,LabVIEW依据设置,将缓存中的数据一段一段地读取出来。
最常用的采集方式。
2.3.2数据采集卡的安装
数据采集系统的构成如下图所示。
在数据采集之前,程序将对采集板卡初始化,板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。
PCI-6024E的安装
将PCI-6024E数据采集卡插到计算机主板上的一个空闲PCI插槽中,接好各种附件,包括一条50芯的数据线和一个转接板。
安装LabVIEW和NI-DAQ,在Measurement&AutomationExplorer出现Configuration>Mysystem>DevicesandInterfaces。
在设备名PCI-6024E上单击右键,选择Properties,出现采集卡的配置对话框配置包括System、AI、AO、Accessory、OPC和RemoteAccess五个部分的设置。
分别对其进行设置。
在完成上述设置后,单击确定,会出现“TestResources”和“TestPanels”按钮。
单击“TestResources”出现测试结果对话框。
单击“TestPanels”按钮出现测试面板。
PCI-6024E卡通道配置
在使用DAQ设备的模拟I/O或数字I/O功能时,必须首先配置设备的通道。
在Measurement&AutomationExplorer中配置通道步骤如下:
右键单击DataNeighbourhood图标,选择弹出菜单中的Insert,系统会弹出InsertNew对话框。
单击Finish。
在弹出的CreateNewChannel对话框中将通道类型设置为AnalogInput。
在EnterChannelNameandDescription对话框中,将通道名称设置为ScropA,并甜上适当的通道描述。
在ChannelWizard对话框中,选择传感器或测量信号类型。
设置单位为Volts,量程为-5V~5V。
设置缩放比例因子为NoScaling。
指定DAQ硬件为Dev1:
PCI-6024E,通道编号为0;模拟输入方式为Differential,单击完成。
2.4环形输送线试验台
DRCSX-12-B型环形输送线试验台是国内首家推出的小型多用途环形输送线实验台,它可以模拟自动生产线上物料的输送、检测工作。
具有体积小、结构合理、功能强、使用方便、开设的实验项目多等特点,下图是该实验台的结构图。
实验台由外壳、链板(测试物品的载板)、链条、链轮、直流减速电机、传感器支架、链条张紧装置、传动装置、6个测试样品(金属、塑料各三个,三种颜色)和传感器组成。
其运行线速度为:
4~5cm/s(12V);1.6~2.2cm/s(5V),外形尺寸:
650×370×110mm;重量:
5.5kg。
DRCSX-12-B型环形输送线试验台外观
第三章基于labVIEW的系统程序设计
3.1LabVIEW简介
上世纪90年代,美国国家仪器公司NI(National Instruments)提出“软件即是仪器”的虚拟仪器(VI)概念,引发了传统仪器领域的一场重大变革,使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域,和仪器技术结合起来,从而开创了“软件即是仪器”的先河。
所谓虚拟仪器,实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。
虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量,控制能力结合在一起,大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。
从发展史看,电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器,由于计算机性能以摩尔定律(每半年提高一倍)飞速发展,已把传统仪器远远抛到后面,并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。
虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势,但它并不否定传统仪器的作用,它们相互交叉又相互补充,相得益彰。
在高速度、高带宽和专业测试领域,独立仪器具有无可替代的优势。
在中低档测试领域,虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作,但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏,是传统的独立仪器难以胜任的,甚至不可思议的工作。
总之,由于LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式,能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能,并且用线条将各种功能连接起来,十分省时简便,深受用户青睐。
与传统的编程语言比较,LabVIEW图形编程方式能够节省85%以上的程序开发时间,其运行速度却几乎不受影响,体现出了极高的效率。
使用虚拟仪器产品,用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。
例如,用户可以将原有的带有RS232接口的仪器、VXI总线仪器以及GPIB仪器通过计算机,联接在一起,组成各种各样新的仪器系统,由计算机进行统一管理和操作。
可以预见,由于LabVIEW这些其他语言无法比拟的优势,已经成为该领域的一朵奇葩!
最终将引发传统的仪器产业一场新的革命。
3.1.1labVIEW开发环境
应为本次设计主要用的是labVIEW8.20中文版版本,所以根据labVIEW8.20中文版进行简介
labVIEW8.20中文版的运行
1.正确安装labVIEW8.20后,执行Windows命令【开始】/【程序】/【NationalInstrument
labVIEW8.20】,启动labVIEW,启动界面如图2.1所示。
图2.1labVIEW8.20启动界面
Figure2.1labVIEW8.20startinterface
2.移动光标到【文件】菜单上,单击鼠标左键,可以打开【文件】菜单的文件菜单,通过【文件】菜单,用户可以新建或打开一个VI(VirtualInstrumentation,虚拟仪器)。
执行【文件】/【新建VI】菜单命令,系统自动弹出labVIEW系统的前面板和程序框图设计窗口。
(a)前面板控制窗口(b)程序设计窗口
(a)Frontpanelcontrolwindow(b)Programmingwindows
图2.2labVIEW操作面板
Figure2.2labVIEWoperationpanel
3.1.2labVIEW的操作选板
labVIEW提供了3大类操作选板,即控制选板、函数选板和工具选板,这些选板集中反映了该软件的功能和特征。
我们的设计主要是通过这3个选板的操作来完成前面板的设计和程序框图的设计。
1.控制面板
控制选板只能通过前面板才能打开,执行【查看】/【控制选板】菜单命令,可以打开labVIEW的【控制】选板,
2.函数选板
函数选板只能通过程序框图才能打开。
在程序框图窗口下,执行【查看】/【函数选板】菜单命令,可以打开labVIEW的【函数】选板,如图2.4所示。
另外用户还可以在程序框图的设计窗口中单击鼠标右键,弹出【函数】选板。
函数选板是创建程序框图的主要模板,包含【编程】、【测量I/O】、【仪器I/O】等众多子选板。
其中,子选板下面可能还包含众多子选板。
函数选板的众多子选板中提供不同的信号处理函数,这些函数可以很方便的拖放到程序框图设计区,并且将这些函数成为节点。
节点可以看成是其他高级文本语言的子程序,用户在调用这些函数节点对象时,只需对这些节点的参数进行简单的设计,就可以应用labVIEW8.20中文版为用户提供大量的节点函数,可以满足用户信号处理的大部分任务。
函数节点的引用极大的方便了程序的设计,也充分体现了G语言的优越性。
3.工具面板
在前面板设计窗口或程序设计窗口执行【查看】/【工具选板】菜单命令,就可以打开【工具】选板,如图2.5所示。
工具选板上的每个工具都对应一种操作模式。
在操作过程中,光标的类型与选板上的所选择的工具图标相对应。
用户可以根据需要选择合适的工具对前面板或程序框图中的对象进行操作和修改。
3.2整体设计方案
该系统的主程序主要包括三个部分即数据采集部分、信号处理部分、颜色识别与现实部分。
为保证系统连续运行,所以整体处于一个while循环之中。
要再一次while循环中完成一次颜色识别。
整个颜色识别过程共分为两步,第一步完成信号采集并且得出当前信号的电压均值,第二部利用所测电压均值与每种颜色所对应的常量进行比对,并根据结果现实当前物体的表面颜色。
根据这个思路,要在while循环内建立一个两帧的顺序结构,第一帧完成信号的采集与处理,第二帧完成数据比对与颜色识别。
为使系统能够及时的显示出物体的表面颜色,所以在整体的while循环外添加了一个颜色显示控件。
该控处于循环系统之外,通过多级隧道与内部的多种颜色输入常量相连接,这样在每次整体循环结束后该控件才会进行一次颜色显示,从而避免连续采样中前后数据的相互干扰。
在程序的前面板上,共有三个输出控件,它们分别显示,电压波形、电压均值以及当前颜色,三个输入控件,分别是控制vi运行的总开关、给定采样长度和采样频率的输入控件。
下图为程序的前面板
程序框图
3.3数据采集部分
数据采集部分有两个控制采样频率和采样长度的输入控件和一个实现USB数据采集的子vi-get
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