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大型儀器設(shè)備可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-龔冬梅
第26卷 第3期
2005年7月華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Vol.26 No.3 Jul.2005 文章編號(hào) 1000-5013(2005)03-0243-04
大型儀器設(shè)備可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
龔 冬 梅
(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,福建泉州362021)
摘要 基于LabWindows/CVI軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備可視化管理系統(tǒng).采用獨(dú)特的儀器面板圖像識(shí)別數(shù)據(jù)采集方案,由CCD攝像頭完成儀器面板圖像的輸入,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件,接口簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng).系統(tǒng)利用LabWindows/CVI豐富的用戶界面庫(kù),實(shí)現(xiàn)直觀、形象、友好的人機(jī)界面.
關(guān)鍵詞 LabWindows/CVI,儀器設(shè)備,圖像識(shí)別,數(shù)據(jù)采集
中圖分類第一文庫(kù)網(wǎng)號(hào) TP393.07;TP391.41;TH7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A
目前,高校實(shí)驗(yàn)室利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大型精密儀器網(wǎng)絡(luò)管理及使用,使儀器設(shè)備管理邁上了網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化新臺(tái)階〔1〕.本文以大型儀器多功能鍍膜機(jī)的可視化管理為例,介紹基于LabWindows/CVI軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備可視化動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng).
1 系統(tǒng)硬件組成與數(shù)據(jù)采集工作原理
1.1 可視化管理系統(tǒng)硬件組成
可視化動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)由光學(xué)物鏡、圖像傳感器、多路視頻轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示.圖像傳感器采用CCD攝像頭,圖像采集卡采用電腦視頻卡.整個(gè)系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單,連接方便,只需將CCD的信號(hào)輸出電纜經(jīng)多路視頻轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)與電腦視頻卡連接,加上接口軟件即可.
1.2 儀表面板圖像識(shí)別與數(shù)據(jù)采集
多功能鍍膜機(jī)控制柜儀表面板,如圖2所示.其面板上的顯示儀表多達(dá)22個(gè),加上指示燈的數(shù)量
,
圖1 可視化動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)框圖圖2 多功能鍍膜機(jī)控制柜儀表面板
可采集的數(shù)據(jù)超過(guò)50個(gè).儀表面板圖像識(shí)別的原理是,儀表面板圖像通過(guò)圖像傳感器輸入后得到灰度圖像.然后分塊提取圖像的特征,并與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行匹配判別,從而達(dá)到數(shù)據(jù)識(shí)別的目的.識(shí)別技術(shù)包括預(yù)處理和識(shí)別兩個(gè)過(guò)程.預(yù)處理主要是對(duì)輸入圖像進(jìn)行對(duì)比度調(diào)整和圖像尺寸調(diào)整,對(duì)比度調(diào)整的目的是將不同光線條件下由圖像傳感器輸入的圖像進(jìn)行灰度均衡處理.即將儀表面板圖像最亮點(diǎn)的灰度值設(shè)為最大值(255),而將儀表面板圖像最暗點(diǎn)的灰度值設(shè)為最小值(0),并按比例修改圖像上其他像素的灰度值.圖像尺寸調(diào)整是將儀表面板圖像的外層輪廓尺寸縮放到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸,便于儀表面板上各顯
-10-01 收稿日期 2004
作者簡(jiǎn)介 龔冬梅(1968-),女,實(shí)驗(yàn)師,主要從事程序設(shè)計(jì)和管理軟件的研究.E-mail:dkxgdm@sina.com
244華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2005年示儀表和指示燈的坐標(biāo)定位.識(shí)別過(guò)程是將經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行識(shí)別,包括識(shí)別算法選擇和提取對(duì)象特征并儀表面板標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的對(duì)象特征進(jìn)行匹配判別.因?yàn)閮x表數(shù)據(jù)識(shí)別采集應(yīng)該是準(zhǔn)確無(wú)誤的,對(duì)于無(wú)法識(shí)別的儀表圖像將數(shù)據(jù)丟棄,并存儲(chǔ)原始圖像,以便日后查詢.
儀表面板圖像識(shí)別可分為3類.(1)數(shù)碼管顯示數(shù)字的識(shí)別.數(shù)碼管的顯示數(shù)字為0~9,需建立的標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)元素少.數(shù)碼管一般采用7段顯示方式,可采用7段特征識(shí)別,識(shí)別方法如圖3所示.將每一個(gè)數(shù)字碼長(zhǎng)方形圖像按水平方向3等分,垂直方向5等分進(jìn)行切割,得到7個(gè)識(shí)別區(qū).根據(jù)識(shí)別區(qū)的平均灰度值G字段判斷該字段是否點(diǎn)亮,參考灰度閾值G閾值取參考區(qū)的平均灰度值加上一個(gè)模糊值.當(dāng)G字段>G閾值時(shí),表示該字段被點(diǎn)亮;否則,未點(diǎn)亮.將各字段的亮滅狀態(tài)組合,然后與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)(查表)比較,達(dá)到數(shù)字識(shí)別的目的.與一般文字識(shí)別的方法不同,原始圖像不進(jìn)行二值化處理.這樣可避免圖像噪聲因二值化處理產(chǎn)生的放大作用,引起錯(cuò)誤識(shí)別.由數(shù)碼管圖像讀取的顯示數(shù)據(jù)無(wú)須其他處理就可作為采集的數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中.(2)指針式儀表的識(shí)別.指針式儀表都有一個(gè)白色底板,因此輪廓識(shí)別很容易.這里只討論長(zhǎng)方形白色底板指針式儀表圖像的識(shí)別.如圖4所示,以指針根部轉(zhuǎn)動(dòng)軸為原點(diǎn)O,分別畫(huà)出
2
圖3 數(shù)碼管顯示數(shù)字的識(shí)別 圖4 指針式儀表的識(shí)別
個(gè)識(shí)別區(qū)圓弧a和圓弧b,每個(gè)識(shí)別區(qū)只在其圓弧上移動(dòng),在移動(dòng)過(guò)程中可找到平均灰度值最低的識(shí)別區(qū)及其中心點(diǎn)坐標(biāo).因此,在白色底板圖像上就確定了指針的兩點(diǎn)坐標(biāo),然后與事先做好的該儀表面板標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)坐標(biāo)值進(jìn)行匹配.通常指針式儀表精確度不高,采用相近匹配就可滿足要求,若要提高判讀精度,可采用插值計(jì)算.所以,對(duì)指針式儀表圖像的數(shù)據(jù)識(shí)別采集,需要將儀表指針的坐標(biāo)值通過(guò)坐標(biāo)匹配或計(jì)算,才能得到實(shí)際指針指示值數(shù)據(jù).(3)指示燈的識(shí)別.指示燈在儀表面板圖像上的位置是固定的,所以只要在指示燈所處坐標(biāo)位置劃定一個(gè)識(shí)別區(qū),根據(jù)該識(shí)別區(qū)的平均灰度值就可判斷指示燈是亮還是滅.指示燈圖像的數(shù)據(jù)采集只有兩個(gè)值0和1.
2 可視化管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
可視化管理系統(tǒng)軟件,主要包括圖像處理與識(shí)別、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和虛擬面板顯示與操作.
2.1 圖像識(shí)別數(shù)據(jù)采集層次結(jié)構(gòu)
軟件系統(tǒng)由人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和圖像識(shí)別數(shù)據(jù)采集組成.開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的關(guān)鍵是完成圖像識(shí)別數(shù)據(jù)采集.圖像識(shí)別數(shù)據(jù)采集層次結(jié)構(gòu),可以分為功能層、圖像識(shí)別層、儀器操作層和接口配置4個(gè)部分.
(1)功能層.它是整個(gè)圖像識(shí)別數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)的最高層,面向虛擬儀器面板用戶端,功能層描述的都是有關(guān)數(shù)據(jù)流程及結(jié)果判定的過(guò)程.(2)圖像識(shí)別層.它完成將儀表面板圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù),包括數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)、指針式指示數(shù)據(jù)和狀態(tài)指示燈數(shù)據(jù).(3)儀器操作層.它利用儀器(圖像采集卡)驅(qū)動(dòng)程序或隨采集卡模塊提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)控制硬件的所有操作.儀器驅(qū)動(dòng)程序包括VISA儀器驅(qū)動(dòng)、IVI儀器驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集卡的底層接口驅(qū)動(dòng)3種.數(shù)據(jù)采集卡的底層接口驅(qū)動(dòng)由動(dòng)態(tài)連接庫(kù)API函數(shù)實(shí)現(xiàn).(4)接口配置.接口配置文件存儲(chǔ)接口映射信息,如接口所屬儀器及通道,接口配置工具用于交互式配置多路開(kāi)關(guān)等連接信息,并存儲(chǔ)在配置文件中.
2.2 圖像識(shí)別數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)
(1)圖像采集.大多數(shù)PC總線的圖像采集卡都具有自有的儀器驅(qū)動(dòng)程序和函數(shù)面板,可以在CVI.
第3期 龔冬梅:大型儀器設(shè)備可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)245序的模塊,圖像采集通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的.DLL庫(kù)函數(shù)來(lái)控制采集卡的操作.(2)圖像處理.在LabWin-dows/CVI的用戶界面函數(shù)庫(kù)中,提供了用來(lái)處理位圖的Bitmaps子類.利用NewBitmap函數(shù)、GetBit-mapFile函數(shù)等.可以在LabWindows/CVI中對(duì)DIB進(jìn)行處理,DIB是Windows系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的位圖格式.一個(gè).bmp文件對(duì)應(yīng)一個(gè)DIB數(shù)據(jù)..bmp結(jié)構(gòu)體和常量在Windows.h中都有定義,程序設(shè)計(jì)時(shí)只需包含Windows.h文件即可,無(wú)須自己定義結(jié)構(gòu)體和常量.應(yīng)用LabWindows/CVI編寫(xiě)數(shù)字圖像處理程序時(shí),一般不應(yīng)用GetBitmapFromFile函數(shù)讀取.bmp文件,而應(yīng)用Fopen函數(shù)、Fread函數(shù)打開(kāi)并讀取.bmp文件,將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換,如幾何處理(放大、縮小),點(diǎn)運(yùn)算(灰度均衡),然后應(yīng)用NewBitmap函數(shù)重新創(chuàng)建位圖.需要注意的是實(shí)際圖像數(shù)據(jù)的存放順序在DIP格式中是從下到上、從左至右存放的,而由NewBitmap函數(shù)重新創(chuàng)建的位圖實(shí)際圖像數(shù)據(jù)的存放順序是從上到下、從左至右存放的.編寫(xiě)圖像識(shí)別程序時(shí),要將每個(gè)像素的行列下標(biāo)正確轉(zhuǎn)換為與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)一致的坐標(biāo).
2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理
微軟公司開(kāi)發(fā)了一系列基于Windows平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù),如ODBC,DAO,RDO,OLEDB和ADO等.這里介紹在LabWindows/CVI平臺(tái)上訪問(wèn)MicrosoftAccess2000數(shù)據(jù)庫(kù)的一種方法〔4〕〔2,3〕.該方法基于數(shù)據(jù)庫(kù)儀器驅(qū)動(dòng)程序adoRec25.運(yùn)行LabWindows/CVI,啟動(dòng)Tools菜單的創(chuàng)建ActiveX自動(dòng)化控制器命令,搜索當(dāng)前系統(tǒng)中的類型庫(kù),選擇/MicrosoftActiveXDataObjectsRecordSet2.5L-ibrary0(ADO記錄集自動(dòng)化類型庫(kù)),生成儀器驅(qū)動(dòng)程序,如命名為adoRec25.adoRec25包含以下文件:adoRec25.c,adoRec25.fp,adoRec25.h,adoRec25.sub和adoRec25.obj.在訪問(wèn)MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫(kù)之前,應(yīng)在ODBC數(shù)據(jù)源管理器中對(duì)所要訪問(wèn)Data.mdb數(shù)據(jù)源進(jìn)行聲明,如將數(shù)據(jù)源命名為myData.將adoRec25.fp添加到應(yīng)用的工程項(xiàng)目中,編程實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)源的連接和訪問(wèn).數(shù)據(jù)庫(kù)字段應(yīng)包括儀器名稱、使用者姓名、開(kāi)機(jī)時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間、定時(shí)采樣時(shí)間、儀表顯示數(shù)據(jù)(幾個(gè)儀表數(shù)目對(duì)應(yīng)幾個(gè)顯示數(shù)據(jù)字段)和指示燈狀態(tài)數(shù)據(jù)等.
2.4 虛擬儀器面板設(shè)計(jì)
面板是LabWindows/CVI用戶界面的基礎(chǔ),在面板上用戶可以隨意地添加各種控件(如顯示儀表、指示燈、開(kāi)關(guān)等).LabWindows/CVI中的面板不但能對(duì)傳統(tǒng)儀器固定面板進(jìn)行虛擬,而且顯示各種曲線.LabWindows/CVI中有在測(cè)控系統(tǒng)中專用的控件,可以方便地建立專業(yè)、友好的用戶界面.通常虛擬儀器面板是在.uir文件中創(chuàng)建的,但也可以通過(guò)函數(shù)來(lái)創(chuàng)建和修改面板.根據(jù)圖2所示多功能鍍膜機(jī)控制柜儀表面板,設(shè)計(jì)虛擬儀器面板主界面,如圖5所示.圖中,原數(shù)字顯示儀表采用Text控件,因數(shù)字儀表很多,所以每個(gè)儀表都有完整的名稱.指針式儀表采用Numeric/Meter控件,保留原來(lái)的形狀,
直
圖5 多功能鍍膜機(jī)虛擬儀器面板主界面
觀明了,指示燈采用LED控件,還設(shè)置了開(kāi)機(jī)時(shí)間計(jì)時(shí)器、異常數(shù)據(jù)報(bào)警指示燈等.另外,在每個(gè)顯示儀,6
246華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 2005年
圖6 顯示儀表的時(shí)間曲線子面板
以實(shí)現(xiàn),加載子面板的函數(shù)原形如下:intpanelHandle=LoadPanel(intparantpanelHandle,charfilename[],intpanelResourceID).parantpanelHandle為父面板的句柄.
3 結(jié)束語(yǔ)
用LabWindows/CVI交互式編程方法,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備可視化動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng),具有智能化、可視化、可維護(hù)性好等特點(diǎn).采用本文介紹的圖像識(shí)別數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),硬件簡(jiǎn)單,所有應(yīng)用軟件模塊支持相同的公用硬件平臺(tái).當(dāng)系統(tǒng)要增加一臺(tái)新的儀器時(shí),只須增加該儀器的虛擬面板及控件.該系統(tǒng)很適合大型儀器(固定儀表面板)的數(shù)據(jù)采集和管理,而不適合可移動(dòng)儀器的儀表面板的數(shù)據(jù)采集.
參 考 文 獻(xiàn)
1 韓 靜.利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高大型精密儀器的管理水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2003,22(2):134~138
2 張毅剛.虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI6.0編程指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.206~2283 宋宇峰.LabWindows/CVI逐步深入與開(kāi)發(fā)實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.271~284
4 徐 波,李行善.數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)在虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI上的應(yīng)用研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),
2002,16(3):66~70
AStudyonVisualizedManagementSystemfor
Large-ScaleInstrumentsandEquipments
GongDongmei
(CollegeofInformationScienceandEngineering,HuaqiaoUniversity,362021,Quanzhou,China)
Abstract BasedonasoftwaredevelopmentplatformofLabWindows/CVI,avisualizedmanagementsystemisdesignedforthemanagementoflarge-scaleinstrumentsandequipment.ByadoptingauniqueinstrumentpanelandplanofimagerecognitionanddatacollectionandbyusingCCDcameraheadtocompletetheimageinputofinstrumentpanel,theman-agementsystemissimplifiedinsystemhardwareandsimpleininterfaceandintensiveingenerality.Byusingrichuserin-terfacebaseofLabWindows/CVI,thedirectly-perceivedandfiguresandfriendlyman-machineinterfacehasbeenrealized.Thesystemcanbeappliedtodatacollectionandmanagementoflarge-scaleinstruments(fixedinstrumentpanele).Keywords LabWindows/CVI,instrumentsandequipment,imagerecognition,datacollection
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