指針式儀表數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)設計

摘要 系統(tǒng)采用ADSP—BF533+FPGA EP1C6T144C8架構(gòu)，可實現(xiàn)圖像采集、指針儀表識別與讀數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。DSP通過對采集到的圖像進行灰度變換、邊沿檢測以及Hough變換等處理后，實現(xiàn)對指針式儀表表盤的識別、指針定位和讀數(shù)計算，以及指針讀數(shù)的存儲和傳輸。系統(tǒng)可通過串口實現(xiàn)組網(wǎng)測量與數(shù)據(jù)傳輸。FPGA接收DSP的指令，實現(xiàn)對COMS攝像頭采集控制、鍵盤掃描以及各器件的片選信號產(chǎn)生等功能。利用計算機SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)編寫上位機程序，可對測量數(shù)據(jù)進行管理和備份。
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)簡單、維護方便、不受電磁場干擾、可靠性高、價格便宜等優(yōu)點，被廣泛應用于科學實驗和生產(chǎn)中。儀表檢測部門和儀表觀測單位在對儀表進行觀測時，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、勞動強度大、觀測周期長、工作效率低、易造成讀數(shù)精度低、可靠性差、重復率高等問題。同時，指針式儀表長期使用后，由于表面污損也給人工讀數(shù)帶來了困難。因此，如何實現(xiàn)指針式儀表的自動判讀，提高觀測效率和觀測精度，就成為需要解決的問題。
隨著數(shù)字信號處理和數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，應用這兩種技術(shù)設計指針式儀表智能識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)，實踐證明該系統(tǒng)具有讀數(shù)效率高、讀數(shù)準確、可靠性高等優(yōu)點。

1 研究現(xiàn)狀
20世紀60年代后，隨著數(shù)字圖像處理、模式識別、計算機技術(shù)和人工智能理論的不斷發(fā)展，機器視覺技術(shù)取得了較大進步，在許多領(lǐng)域獲得了廣泛應用。所謂機器視覺技術(shù)，主要用計算機模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。
自動化生產(chǎn)過程中，機器視覺系統(tǒng)已廣泛應用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機器視覺系統(tǒng)的特點是可以提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺替代人工視覺，同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用機器視覺檢測方法可以提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。
指針式儀表的測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，這正是機器視覺技術(shù)可以發(fā)揮優(yōu)勢的領(lǐng)域。目前，在指針式儀表檢定方面使用自動化檢定裝置的產(chǎn)品較少，基本采用常規(guī)的檢測方法。自動化檢定裝置作為研究方向一直在進行之中，若自動檢定系統(tǒng)研制成功并投入使用，將降低測試人員的勞動強度和人為因素造成的測量不確定性，對保證檢定的準確可靠具有重要意義。
國內(nèi)較早進行指針式儀表圖像識別的是哈爾濱工業(yè)大學的李鐵橋等，主要是對壓力表進行了研究。王三武等人研究了水表多刻度盤的圖像識別檢定系統(tǒng)。李寶樹等提到了識別指針刻度線，但這些研究都未脫離指針偏角的識別方法。再就是一些針對羅經(jīng)、轎車部分儀表、飛機座艙零位儀表等的識別方案及設計。上述研究表明，指針式儀表自動讀數(shù)識別的研究方法主要獲取指針的角度，根據(jù)角度關(guān)系計算出儀表的讀數(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)系來計算讀數(shù)，避免了在讀數(shù)準確性上的不足。
文中設計了基于Hough變換的指針式儀表智能采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了圖像采集、處理、存儲、顯示讀數(shù)、通信等功能，并將最終數(shù)據(jù)遞交上位機數(shù)據(jù)庫保存，如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
根據(jù)實際需要，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、輸出、讀數(shù)、通信等功能，對數(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當時鐘頻率為600 MHz時性能達到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)建指針式儀表識別器平臺。