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      基于DSP核心的指針式儀表自動(dòng)檢定裝置

      2014-01-21 06:53:42王永東
      關(guān)鍵詞:指針式準(zhǔn)確度儀表

      王永東

      (遼寧建筑職業(yè)學(xué)院,遼寧 遼陽(yáng) 111000)

      0 引言

      由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,指示明顯,價(jià)格低廉,指針式儀表目前仍是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用非常普遍的測(cè)量?jī)x表之一,不僅數(shù)量大,而且種類多,如萬用表、汽車儀表、壓力表等等。這些儀表在出廠前,需要對(duì)精度進(jìn)行檢定,同時(shí)儀表在使用過程中也會(huì)產(chǎn)生誤差,也需要進(jìn)行定期檢驗(yàn),以判斷是否滿足精度要求。采用人工觀測(cè)讀數(shù)的方法對(duì)指針式儀表進(jìn)行檢定,由于受人的觀測(cè)角度、觀測(cè)距離、眼睛在大量視覺工作之后會(huì)出現(xiàn)視覺疲勞等影響,檢定結(jié)果不穩(wěn)定、可靠性不高,檢定效率較低。因此實(shí)現(xiàn)對(duì)指針式儀表的自動(dòng)檢定,提高檢定效率和精度,就成為一個(gè)具有實(shí)際意義的問題。

      1 指針式儀表自動(dòng)檢定裝置整體設(shè)計(jì)方案

      本文以常見的扇形表盤的模擬指針式電壓表為例,檢定時(shí)主要以儀表指針指向主要刻度點(diǎn)時(shí)的誤差情況,作為對(duì)儀表整體性能的評(píng)價(jià)。

      根據(jù)具體要求和性能價(jià)格比的不同,指針式儀表自動(dòng)檢定裝置可以采用不同的圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理和識(shí)別。本文研究一種基于機(jī)器視覺的指針式儀表自動(dòng)檢定裝置,將DSP 作為檢定系統(tǒng)的核心,通過圖像處理方法分別獲取各個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)下儀表指針的位置,從而反映儀表的示值讀數(shù),最后獲取儀表的誤差。針對(duì)本文研究的模擬指針式電壓表,選取與之相配的硬件,設(shè)計(jì)檢定系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分,系統(tǒng)框圖見圖1。

      (1)被測(cè)儀表固定單元: 將指針式儀表固定在特定的位置上,使裝置對(duì)它讀數(shù)獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源。

      (2)指針式表盤成像單元: 選取合適的鏡頭。

      (3)指針式表盤圖像信號(hào)采集單元: 通過圖像傳感器(CCD 或CMOS)采集圖像。

      (4)指針式儀表指針位置與示值識(shí)別單元:選擇已發(fā)展功能強(qiáng)大,處理速度快的DSP 芯片為核心的圖像處理系統(tǒng)對(duì)采集的圖像經(jīng)識(shí)別和處理。針對(duì)研究目標(biāo)的特殊性,經(jīng)過計(jì)算目標(biāo)要求的指標(biāo)來選擇合適大小的DSP 芯片。

      圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System structure frame figure

      (5)基準(zhǔn)信號(hào)輸出單元:從DSP 出來的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換裝置將信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的識(shí)別量的電壓值(模擬信號(hào))用來做為標(biāo)準(zhǔn)源到待測(cè)表中[1]。

      2 指針式儀表自動(dòng)檢定裝置工作流程

      檢定時(shí)以量程為5V 的電壓表為例,表盤中有50 個(gè)小格,每個(gè)最小格代表0.1V,有6 個(gè)主要刻度(0,1,2,3,4,5)。首先由基準(zhǔn)信號(hào)輸出單元輸出一系列基準(zhǔn)信號(hào)給待檢定儀表,然后表盤圖像信號(hào)采集單元通過攝像機(jī)將表盤指針偏轉(zhuǎn)狀況轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像并保存,再通過圖像處理方法在儀表位置與示值識(shí)別單元識(shí)別出基準(zhǔn)信號(hào)下儀表指針的位置,從而反映儀表的示值讀數(shù),經(jīng)計(jì)算最后獲取儀表的誤差,進(jìn)而判斷儀表是否合格。系統(tǒng)流程如圖2 所示。

      圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 System work flow chart

      3 工作原理

      本裝置的核心是能否達(dá)到預(yù)定的準(zhǔn)確度指標(biāo),這就要求裝置的每一部分在選擇和匹配上要達(dá)到協(xié)調(diào)和最優(yōu)工作。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB776-76 《電氣測(cè)量指示儀表通用技術(shù)條例》的規(guī)定,準(zhǔn)確度分為7 級(jí),即0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 級(jí)。而最大引用誤差常用來表示電測(cè)量指示儀表的準(zhǔn)確度等級(jí),它們之間的關(guān)系是[2]:

      式中: Rnm—最大引用誤差;α—儀表準(zhǔn)確度等級(jí)指數(shù);△Xm—儀表最大絕對(duì)誤差;Xm—儀表的量程。

      本裝置的研究對(duì)象為一只量程為5V 的電壓源表盤,每一小格為0.1 伏,表的精度為1/50,準(zhǔn)確度為2.5,所以待檢表最大誤差±2.5%。工程上一般用準(zhǔn)確度度級(jí)別高于待檢表級(jí)別來檢定,故本系統(tǒng)檢定級(jí)別在至少一個(gè)準(zhǔn)確度級(jí)別以上,系統(tǒng)至少最大誤差Rnm≤1.5%。

      通過組成檢測(cè)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)檢測(cè)元件或儀表的誤差求得系統(tǒng)的最終的誤差,即為檢測(cè)系統(tǒng)誤差的綜合。根據(jù)誤差理論可按概率統(tǒng)計(jì)方法,按各環(huán)節(jié)誤差的均方根求得的誤差估計(jì)系統(tǒng)的誤差[3],即:

      由σ≤Rnm,系統(tǒng)各器件取一個(gè)比較合適的量,定為小于1%。根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)選擇器件的參數(shù)。

      3.1 表盤成像及固定單元

      要求待測(cè)表和鏡頭的位置最佳以保證采集表盤圖像時(shí)最佳的成像。針對(duì)表盤尺寸,需要處理的對(duì)象是一個(gè)小目標(biāo),不需要大的空間,無需高分辨率的面掃圖像傳感器就可實(shí)現(xiàn)?;谙到y(tǒng)的要求以及圖像傳感器的成本和供貨狀況等方面的考慮,本系統(tǒng)采用豪威科技公司推出的一款VGA CMOS 圖像傳感器OV7620 CameraChip。OV7620 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

      圖3 圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Interior structure of image sensor

      已知拍攝對(duì)象和取景范圍后,可選擇合適的鏡頭。理論上薄鏡頭的光學(xué)成像如圖4 所 示: 在 實(shí)際中,使用的是鏡頭組,與理論上有一定的偏差,但基本上接近。選擇鏡頭時(shí)可直接考慮薄鏡頭。選擇鏡頭的計(jì)算公式如下:

      圖4 薄鏡頭的光學(xué)成像示意圖Fig.4 Dioptric imaging of wafery lens

      其中,Mi—放大倍數(shù);F—焦距;LE—鏡頭范圍;Hi—像高,Ho—物高;Di—像距,Do—物距[4]??紤]檢定工作是在日常的光照下進(jìn)行,也為本設(shè)計(jì)的方便性,在不加光照的情況下就可進(jìn)行圖像采集和識(shí)別,選6.0mm焦距,稍小視角的鏡頭,并控制物距為120mm,使自然光或可眼睛適度的照明為本系統(tǒng)的光源。將表頭固定在鏡頭正對(duì)方位,Ho=63mm,Do=120mm,F(xiàn)=6mm,則放大倍數(shù)Mi≈0.0526,Di≈6.316mm,系統(tǒng)圖像傳感器安裝完后調(diào)節(jié)鏡頭的像距6.316mm。

      3.2 表盤圖像信號(hào)采集單元

      這部分的主要功能是獲取模擬圖像、產(chǎn)生數(shù)字圖像,即對(duì)獲取的模擬圖像進(jìn)行抗混疊濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換以及圖像截取等預(yù)處理,從而得到滿足系統(tǒng)要求的數(shù)字圖像數(shù)據(jù),并為系統(tǒng)提供同步信號(hào)等。主要器件就是圖像傳感器。

      OV7620 是一款高度集成、高分辨率(640*480)、隔行/逐行掃描、CMOS 數(shù)字彩色/黑白視頻攝像芯片。其數(shù)字視頻端口支持60HZ YCrCb 4:2:2,16 位/8 位模式,ZV 端口輸出模式,RGB 原始數(shù)據(jù)16 位/8 位輸出模式和CCIR601/CCIR656 模式。內(nèi)置的I2C 界面為控制內(nèi)置攝像功能提供了簡(jiǎn)便的方式。OV7620 是一個(gè)1/3” CMOS圖像設(shè)備。傳感器包括大約326×688 個(gè)像素,它基于逐行轉(zhuǎn)換的電場(chǎng)讀出系統(tǒng)和帶同步像素讀出系統(tǒng)的電子快門。傳感器的濾色鏡包含了主要顏色RG/GB 陣列,以隔行方式排列。

      大部分的信號(hào)處理都在模擬處理單元里實(shí)現(xiàn),其中進(jìn)行色彩分離,矩陣變換,自動(dòng)增益控制,灰度校正,色彩平衡,色彩校正,黑面水平校正,平滑,光圈校正,亮度色度圖象控制和排斥過濾。內(nèi)建的SCCB(Serial Camera Control Bus,串行攝像控制總線)完成視頻攝取和A/D 變換。由于OV7620 集成度高,外圍電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)化,僅由石英晶體和一些電阻電容等元件組成。

      (1)圖像傳感器OV7620 的數(shù)字信號(hào)輸出有8 位和16位模式兩種。由于本系統(tǒng)針對(duì)灰度圖像進(jìn)行處理,為了簡(jiǎn)便和實(shí)用起見,采用16 位模式。數(shù)據(jù)輸出只采集OV7620 低8 位(Y7—Y0)亮度數(shù)據(jù),用于為后續(xù)數(shù)據(jù)處理模塊提高數(shù)字圖像數(shù)據(jù)源。

      (2)通過(OmniVision Serial Camera Control Bus)SCCB 編程模式,采用外部微控制器對(duì)OV7620 進(jìn)行編程,可以改變OV7620 內(nèi)部寄存器內(nèi)容,從而改變其各項(xiàng)缺省設(shè)置參數(shù)。本系統(tǒng)是利用DSP 芯片TMS320VC5416 的通用I/O 口模擬SCCB 總線接口,實(shí)現(xiàn)對(duì)OV7620 內(nèi)部參數(shù)的修改。

      (3)同步信號(hào)VSYNC、CHSYNC 等以及象素時(shí)鐘PCLK,用于保證所傳輸?shù)臄?shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的準(zhǔn)確,為后續(xù)數(shù)據(jù)正確處理提供了保障。

      (4)其它部分按照要求通過電阻或電容接高或接地。

      3.3 儀表指針位置與示值識(shí)別單元

      近年來,以DSP 為核心的圖像采集處理系統(tǒng)以其體積小、處理速度快、使用靈活方便等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于要求處理速度快、實(shí)時(shí)性要求高的各種場(chǎng)合。本裝置硬件上的器件核心為DSP,其他器件都由DSP 來控制。DSP 采用I2C 總線方法對(duì)圖像傳感器進(jìn)行初始化,通過I/O 口得到圖像數(shù)據(jù);DSP 外圍電路采用與所選DSP 芯片所匹配的電源、FLASH、復(fù)位電路;對(duì)FLASH 和D/A在DSP 內(nèi)部分配地址以便確定DSP 輸出信號(hào)后的走向,數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)線得到需要的結(jié)果。DSP 芯片通常根據(jù)算法的復(fù)雜度和存儲(chǔ)量及處理速度來選擇。圖像有效信息占據(jù)空間不大且無特別復(fù)雜的信號(hào)處理算法,選擇TI 公司的TMS320VC5416 就可以實(shí)現(xiàn)裝置核心控制計(jì)算的功能,即主要對(duì)采集到的指針式儀表圖像的指針位置和示值進(jìn)行識(shí)別[5]。

      3.4 基準(zhǔn)信號(hào)輸出單元

      DA 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是DSP 較常用的外設(shè)之一。在選擇DA 上除了選擇誤差小于1%、在滿足精度要求的條件下,選精度8 位,也就是1LSB 的非線性度以外,還有分辨率問題。取一個(gè)八位分辨率的DA 來看,要檢測(cè)5V量程的表,若DA 的Vref 為5V 時(shí),DA 的分辨率為(1/255)×5V≈0.0196V,這時(shí)的量化誤差(1/255)×2≈0.0078<1%,符合要求。因?yàn)槭轻槍?duì)5V 量程的電壓表進(jìn)行設(shè)計(jì)的配套檢定裝置,故在DA 的選擇上選擇輸出方式、輸出電壓范圍易于得到的芯片。TMS320 系列DSP 接口的TLC7528 芯片能快速控制數(shù)字信號(hào)且價(jià)格便宜,可選用。同時(shí)可選用低電耗的LCD 數(shù)字顯示電路和揚(yáng)聲器即可用于顯示和報(bào)警電路。

      4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

      本文選擇一種0~5V,0.1V/格扇形均勻刻度線的2.5級(jí)準(zhǔn)確度電壓表作為檢定測(cè)試目標(biāo),根據(jù)推算系統(tǒng)取一個(gè)合適的誤差量,定為1%。檢定時(shí),由DSP 控制基準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)到DA 之后,從系統(tǒng)出來的基準(zhǔn)電壓連接到待測(cè)電壓表上,使表有相應(yīng)的數(shù)值,進(jìn)行圖像的采集和識(shí)別后,讀出數(shù)值和基準(zhǔn)電壓比對(duì),得到檢定的數(shù)值,若在表的允許誤差內(nèi),則視為合格,若超出,則不合格,則報(bào)警,并將每次檢測(cè)的誤差值顯示出來。本實(shí)驗(yàn)誤差值顯示三位數(shù),為誤差值百分?jǐn)?shù)擴(kuò)大100 倍得到,結(jié)果見表1。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)表的顯示值>249,即表的誤差大于2.5%時(shí),該表為不合格,啟動(dòng)控制喇叭響。從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,該裝置達(dá)到設(shè)計(jì)要求,能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢表任務(wù)。

      表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental data

      5 結(jié)論

      本文針對(duì)模擬指針式儀表的檢定問題,研究了一種基于機(jī)器視覺系統(tǒng),以DSP 為核心處理的自動(dòng)檢定裝置,并將檢定基準(zhǔn)源簡(jiǎn)化,在保證精度和檢定時(shí)間的前提下,完成檢定工作,提高檢定工作的靈活型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該自動(dòng)檢定裝置達(dá)到了指定精度范圍內(nèi)要求的機(jī)器檢表任務(wù),可改善儀表檢定系統(tǒng)的龐大和復(fù)雜應(yīng)用,具有一定的應(yīng)用意義。

      [1] 史春燕.指針式儀表自動(dòng)檢定裝置的研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2008.

      [2] 金維香,張穎.模擬儀表與數(shù)字儀表準(zhǔn)確度的表示及區(qū)別[J].長(zhǎng)沙電力學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,2.

      [3] 陳永剛.檢測(cè)儀表及其測(cè)量系統(tǒng)精度確定及分析方法[J].儀器儀表用戶,2001,1.

      [4] 劉煥軍,等.機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)[J].電腦與信息技術(shù),2003,1.

      [5] 汪安民,陳明欣,朱明.TMS320C54xx DSP 實(shí)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社(第二版),2007.

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