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大型儀器設(shè)備可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計-龔冬梅
第26卷 第3期
2005年7月華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Vol.26 No.3 Jul.2005 文章編號 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
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軟件開發(fā)平臺,設(shè)計實驗室儀器設(shè)備可視化管理系統(tǒng).采用獨特的儀器面板圖像識別數(shù)據(jù)采集方案,由CCD攝像頭完成儀器面板圖像的輸入,簡化了系統(tǒng)硬件,接口簡單、通用性強.系統(tǒng)利用LabWindows/CVI豐富的用戶界面庫,實現(xiàn)直觀、形象、友好的人機界面.
關(guān)鍵詞 LabWindows/CVI,儀器設(shè)備,圖像識別,數(shù)據(jù)采集
中圖分類第一文庫網(wǎng)號 TP393.07;TP391.41;TH7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A
目前,高校實驗室利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(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)字化新臺階〔1〕.本文以大型儀器多功能鍍膜機的可視化管理為例,介紹基于LabWindows/CVI軟件開發(fā)平臺,設(shè)計實驗室儀器設(shè)備可視化動態(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)換開關(guān)、圖像采集卡和計算機組成,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.整個系統(tǒng)硬件簡單,連接方便,只需將CCD的信號輸出電纜經(jīng)多路視頻轉(zhuǎn)換開關(guān)與電腦視頻卡連接,加上接口軟件即可.
1.2 儀表面板圖像識別與數(shù)據(jù)采集
多功能鍍膜機控制柜儀表面板,如圖2所示.其面板上的顯示儀表多達(dá)22個,加上指示燈的數(shù)量
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圖1 可視化動態(tài)管理系統(tǒng)框圖圖2 多功能鍍膜機控制柜儀表面板
可采集的數(shù)據(jù)超過50個.儀表面板圖像識別的原理是,儀表面板圖像通過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)圖像進行匹配判別,從而達(dá)到數(shù)據(jù)識別的目的.識別技術(shù)包括預(yù)處理和識別兩個過程.預(yù)處理主要是對輸入圖像進行對比度調(diào)整和圖像尺寸調(diào)整,對比度調(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行灰度均衡處理.即將儀表面板圖像最亮點的灰度值設(shè)為最大值(255),而將儀表面板圖像最暗點的灰度值設(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
作者簡介 龔冬梅(1968-),女,實驗師,主要從事程序設(shè)計和管理軟件的研究.E-mail:dkxgdm@sina.com
244華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2005年示儀表和指示燈的坐標(biāo)定位.識別過程是將經(jīng)過預(yù)處理后的圖像進行識別,包括識別算法選擇和提取對象特征并儀表面板標(biāo)準(zhǔn)庫的對象特征進行匹配判別.因為儀表數(shù)據(jù)識別采集應(yīng)該是準(zhǔn)確無誤的,對于無法識別的儀表圖像將數(shù)據(jù)丟棄,并存儲原始圖像,以便日后查詢.
儀表面板圖像識別可分為3類.(1)數(shù)碼管顯示數(shù)字的識別.數(shù)碼管的顯示數(shù)字為0~9,需建立的標(biāo)準(zhǔn)字庫元素少.數(shù)碼管一般采用7段顯示方式,可采用7段特征識別,識別方法如圖3所示.將每一個數(shù)字碼長方形圖像按水平方向3等分,垂直方向5等分進行切割,得到7個識別區(qū).根據(jù)識別區(qū)的平均灰度值G字段判斷該字段是否點亮,參考灰度閾值G閾值取參考區(qū)的平均灰度值加上一個模糊值.當(dāng)G字段>G閾值時,表示該字段被點亮;否則,未點亮.將各字段的亮滅狀態(tài)組合,然后與標(biāo)準(zhǔn)庫(查表)比較,達(dá)到數(shù)字識別的目的.與一般文字識別的方法不同,原始圖像不進行二值化處理.這樣可避免圖像噪聲因二值化處理產(chǎn)生的放大作用,引起錯誤識別.由數(shù)碼管圖像讀取的顯示數(shù)據(jù)無須其他處理就可作為采集的數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫中.(2)指針式儀表的識別.指針式儀表都有一個白色底板,因此輪廓識別很容易.這里只討論長方形白色底板指針式儀表圖像的識別.如圖4所示,以指針根部轉(zhuǎn)動軸為原點O,分別畫出
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圖3 數(shù)碼管顯示數(shù)字的識別 圖4 指針式儀表的識別
個識別區(qū)圓弧a和圓弧b,每個識別區(qū)只在其圓弧上移動,在移動過程中可找到平均灰度值最低的識別區(qū)及其中心點坐標(biāo).因此,在白色底板圖像上就確定了指針的兩點坐標(biāo),然后與事先做好的該儀表面板標(biāo)準(zhǔn)庫坐標(biāo)值進行匹配.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,可采用插值計算.所以,對指針式儀表圖像的數(shù)據(jù)識別采集,需要將儀表指針的坐標(biāo)值通過坐標(biāo)匹配或計算,才能得到實際指針指示值數(shù)據(jù).(3)指示燈的識別.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)位置劃定一個識別區(qū),根據(jù)該識別區(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)采集只有兩個值0和1.
2 可視化管理系統(tǒng)軟件設(shè)計
可視化管理系統(tǒng)軟件,主要包括圖像處理與識別、數(shù)據(jù)庫管理和虛擬面板顯示與操作.
2.1 圖像識別數(shù)據(jù)采集層次結(jié)構(gòu)
軟件系統(tǒng)由人機界面、數(shù)據(jù)庫管理和圖像識別數(shù)據(jù)采集組成.開發(fā)該系統(tǒng)的關(guān)鍵是完成圖像識別數(shù)據(jù)采集.圖像識別數(shù)據(jù)采集層次結(jié)構(gòu),可以分為功能層、圖像識別層、儀器操作層和接口配置4個部分.
(1)功能層.它是整個圖像識別數(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)果判定的過程.(2)圖像識別層.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)動程序或隨采集卡模塊提供的動態(tài)鏈接庫控制硬件的所有操作.儀器驅(qū)動程序包括VISA儀器驅(qū)動、IVI儀器驅(qū)動和數(shù)據(jù)采集卡的底層接口驅(qū)動3種.數(shù)據(jù)采集卡的底層接口驅(qū)動由動態(tài)連接庫API函數(shù)實現(xiàn).(4)接口配置.接口配置文件存儲接口映射信息,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關(guān)等連接信息,并存儲在配置文件中.
2.2 圖像識別數(shù)據(jù)采集的實現(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245序的模塊,圖像采集通過調(diào)用相應(yīng)的.DLL庫函數(shù)來控制采集卡的操作.(2)圖像處理.在LabWin-dows/CVI的用戶界面函數(shù)庫中,提供了用來處理位圖的Bitmaps子類.利用NewBitmap函數(shù)、GetBit-mapFile函數(shù)等.可以在LabWindows/CVI中對DIB進行處理,DIB是Windows系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)的位圖格式.一個.bmp文件對應(yīng)一個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)計時只需包含Windows.h文件即可,無須自己定義結(jié)構(gòu)體和常量.應(yīng)用LabWindows/CVI編寫數(shù)字圖像處理程序時,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)打開并讀取.bmp文件,將讀取的數(shù)據(jù)進行一定的轉(zhuǎn)換,如幾何處理(放大、縮小),點運算(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.編寫圖像識別程序時,要將每個像素的行列下標(biāo)正確轉(zhuǎn)換為與標(biāo)準(zhǔn)庫一致的坐標(biāo).
2.3 數(shù)據(jù)庫管理
微軟公司開發(fā)了一系列基于Windows平臺的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù),如ODBC,DAO,RDO,OLEDB和ADO等.這里介紹在LabWindows/CVI平臺上訪問MicrosoftAccess2000數(shù)據(jù)庫的一種方法〔4〕〔2,3〕.該方法基于數(shù)據(jù)庫儀器驅(qū)動程序adoRec25.運行LabWindows/CVI,啟動Tools菜單的創(chuàng)建ActiveX自動化控制器命令,搜索當(dāng)前系統(tǒng)中的類型庫,選擇/MicrosoftActiveXDataObjectsRecordSet2.5L-ibrary0(ADO記錄集自動化類型庫),生成儀器驅(qū)動程序,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MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫之前,應(yīng)在ODBC數(shù)據(jù)源管理器中對所要訪問Data.mdb數(shù)據(jù)源進行聲明,如將數(shù)據(jù)源命名為myData.將adoRec25.fp添加到應(yīng)用的工程項目中,編程實現(xiàn)對數(shù)據(jù)源的連接和訪問.數(shù)據(jù)庫字段應(yīng)包括儀器名稱、使用者姓名、開機時間、關(guān)機時間、定時采樣時間、儀表顯示數(shù)據(jù)(幾個儀表數(shù)目對應(yīng)幾個顯示數(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
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、開關(guān)等).LabWindows/CVI中的面板不但能對傳統(tǒng)儀器固定面板進行虛擬,而且顯示各種曲線.LabWindows/CVI中有在測控系統(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,但也可以通過函數(shù)來創(chuàng)建和修改面板.根據(jù)圖2所示多功能鍍膜機控制柜儀表面板,設(shè)計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,所以每個儀表都有完整的名稱.指針式儀表采用Numeric/Meter控件,保留原來的形狀,
直
圖5 多功能鍍膜機虛擬儀器面板主界面
觀明了,指示燈采用LED控件,還設(shè)置了開機時間計時器、異常數(shù)據(jù)報警指示燈等.另外,在每個顯示儀,6
246華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2005年
圖6 顯示儀表的時間曲線子面板
以實現(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
用LabWindows/CVI交互式編程方法,設(shè)計實驗室儀器設(shè)備可視化動態(tài)管理系統(tǒng),具有智能化、可視化、可維護性好等特點.采用本文介紹的圖像識別數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),硬件簡單,所有應(yīng)用軟件模塊支持相同的公用硬件平臺.當(dāng)系統(tǒng)要增加一臺新的儀器時,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].實驗室研究與探索,2003,22(2):134~138
2 張毅剛.虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI6.0編程指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.206~2283 宋宇峰.LabWindows/CVI逐步深入與開發(fā)實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.271~284
4 徐 波,李行善.數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)在虛擬儀器開發(fā)平臺LabWindows/CVI上的應(yīng)用研究[J].電子測量與儀器學(xué)報,
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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