目 錄II摘 要IIIAbstractIV1 緒論11.1 引言11.2 視覺技術(shù)研究與應(yīng)用的必要性11.3 國內(nèi)外典型研究11.4 研究方法與內(nèi)容22 機(jī)器視覺技術(shù)32.1 機(jī)器視覺的概述32.2 機(jī)器視覺的分類32.3 機(jī)器視覺的特點(diǎn)與應(yīng)用42.4 機(jī)器視覺技術(shù)在應(yīng)用中的問題52.5 基于機(jī)器視覺的產(chǎn)品檢測系統(tǒng)63 虛擬儀器與 LabVIEW73.1 虛擬儀器簡介73.2 PXI 總線結(jié)構(gòu)83.2 虛擬儀器的構(gòu)建技術(shù)123.3 機(jī)器視覺與虛擬儀器結(jié)合的必然性123.4 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺系統(tǒng)133.5 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的組成133.6 LabVIEW 編程軟件及其應(yīng)用143.7 LabVIEW 的工作原理143.8 LabVIEW 的特點(diǎn)144 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)164.1 設(shè)計(jì)思路164.2 工藝流程175 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)195.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖195.2 硬件選取195.3 圖像采集裝置結(jié)構(gòu)圖205.4 檢測模塊電路原理設(shè)計(jì)215.5 信號轉(zhuǎn)換與處理電路原理設(shè)計(jì)225.6 串口通信模塊設(shè)計(jì)235.7 USB 接口模塊246 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)276.1 系統(tǒng)程序流程圖276.2 LABVIEW 設(shè)計(jì)圖277 結(jié)束語33參考文獻(xiàn)34致謝37基于 LabVIEW 的機(jī)器視覺工業(yè)零件檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要機(jī)器視覺是用機(jī)器來代替人眼做判斷和測量的技術(shù)，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中， 主要包括產(chǎn)品檢測、交通管理、工況監(jiān)視、醫(yī)療衛(wèi)生等各個領(lǐng)域。機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是提高生產(chǎn)效率和自動化程度，在大批量的生產(chǎn)過程中使用機(jī)器視覺技術(shù)可以大幅度提高質(zhì)量檢測、快速獲取產(chǎn)品信息，能夠自動處理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息與加工成一體。目前大部分的機(jī)器視覺技術(shù)在圖像采集上擁有自己專門的 CPU 和設(shè)計(jì)電路，在軟件上需要編寫大量且復(fù)雜的程序，導(dǎo)致系統(tǒng)研發(fā)周期長，難度大， 成本高。本課題分析了目前機(jī)器視覺技術(shù)在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用，闡述了機(jī)器視覺和虛擬儀器技術(shù)的特點(diǎn)，選擇當(dāng)前最流行的美國國家儀器 National Instruments 公司研發(fā)的 LabVIEW 程序個圖像采集作為硬件研發(fā)環(huán)境，調(diào)用視覺開發(fā)模塊 IMAQVision 專業(yè)化控件和函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)圖像采集、機(jī)器視覺檢測、決策判斷以及 I/O 控制于一體的機(jī)器視覺產(chǎn)品檢測平臺。本文主要介紹了機(jī)器視覺的概念、系統(tǒng)組成和發(fā)展趨勢、虛擬儀器技術(shù)與LabVIEW 程序編程，分析了機(jī)器視覺在生產(chǎn)過程中應(yīng)用的困難，以及在圖像采集檢測中使用機(jī)器視覺的必要性。關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；LabVIEW；IMAQ Vision；產(chǎn)品檢測平臺IIIDesign of machine vision industrial parts detection system based on LabVIEWAbstractMachine vision is a technology that uses machines to replace human eyes to judge and measure. It is widely used in industry, mainly including product detection, traffic management, working condition monitoring, medical and health and other fields. The advantage of machine vision technology is to improve the production efficiency and the degree of automation. The use of machine vision technology in mass production process can greatly improve the quality detection, obtain the product information quickly, can automatically process, and realize the product information and processing into a whole. At present, most of the machine vision technology has its own special CPU and design circuit on the image acquisition. It needs to write a large number of complex programs on the software, which leads to the long development cycle, the difficulty and the high cost of the system.This topic analyzes the research and application of machine vision technology at home and abroad, expounds the characteristics of machine vision and virtual instrument technology, and chooses the LabVIEW program image acquisition which is the most popular American national instrument National Instruments company as the hardware R & D environment, and calls the visual development module IMAQ Vision special. Industrial control and function library to realize machine vision product detection platform integrated with image acquisition, machine vision inspection, decision making and I/O control.This paper mainly introduces the concept of machine vision, the composition and development trend of the system, the virtual instrument technology and the program programming of LabVIEW, analyzes the difficulties in the application of machine vision in the process of production, and the necessity of using machine vision in the image acquisition and detection.IVKeywords: machine vision; LabVIEW; IMAQ Vision; product testing platform.V1 緒論1.1 引言機(jī)器視覺是指利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能，通過攝像機(jī)獲取信息然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給計(jì)算機(jī)做出判斷與識別，從而控制設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類從外部世界獲得的信息大約有 80%是由視覺獲得的，這既說明視覺信息量大，也表明人類對視覺信息有較高的利用率，同時又體現(xiàn)了視覺功能對人類的重要性。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，給計(jì)算機(jī)、機(jī)器人或其他智能機(jī)器賦予了人類視覺的功能， 是人類多年以來的夢想，雖然目前還不能夠使計(jì)算機(jī)、機(jī)器人或其他智能機(jī)器也具有像人類那樣高效、靈活和通用的視覺，但自 20 世紀(jì) 50 年代以來視覺理論和技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，這使人類的夢想正在逐步實(shí)現(xiàn)。1.2 視覺技術(shù)研究與應(yīng)用的必要性隨著信號處理理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們試圖用攝像機(jī)獲取環(huán)境圖像并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對視覺信息處理的全過程，這樣就形成了一門新興的學(xué)科計(jì)算機(jī)視覺，而機(jī)器視覺則是建立在計(jì)算機(jī)視覺的理論基礎(chǔ)上，偏重于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)工程化應(yīng)用，所以，視覺技術(shù)的發(fā)展是有必要的。2008 年經(jīng)濟(jì)危機(jī)打擊了美國和世界的各個領(lǐng)域。在美國政府實(shí)施的“美國制造”計(jì)劃下，推出了一些鼓勵企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的政策，而應(yīng)用可視化技術(shù)在此脫穎而出。近年來，勞動工資成本在中國急劇上升，許多制造企業(yè)轉(zhuǎn)移到人力資源相對比較低的地區(qū)，而“中國制造”的聲譽(yù)日益提高，視覺檢測在自動化程度高的所有領(lǐng)域勢在必行。視覺檢測在工業(yè)自動化中的地位越來越重要，工業(yè)自動化的需求促進(jìn)了可視化技術(shù)的高度集成。1.3 國內(nèi)外典型研究在國外，機(jī)器視覺主要應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)（40%-50%），比如：印刷電路、線路板、電子封裝、質(zhì)量檢測、SMT 表面貼裝以及電子生產(chǎn)加工設(shè)備，除此之外， 其他各個領(lǐng)域機(jī)器視覺都有廣泛的應(yīng)用。1994 年，S.T rika 對于機(jī)器視覺零件特征識別取得了進(jìn)一步的研究；1998 年，J.Merlet 在零件裝配中應(yīng)用了機(jī)器視覺技術(shù)；1999 年，Du-Ming Tsai 發(fā)明了零件的非接觸測量（表面粗糙度）；2003 年，Eladaw.iA.E 在數(shù)控加工中應(yīng)用了機(jī)器視覺技術(shù)；M.A.Smith 研究出一種新9的成果檢測視頻幀中文本；韓國大學(xué) Kim 教授研究出了一種在視頻幀中文本里 Camshift 算法和基于支持向量機(jī)的檢測。從機(jī)器視覺的研究來看（數(shù)量和成果），日本都是遙遙領(lǐng)先，英、美、德、韓等各國都有研究。與國外相比，我們國家在機(jī)器視覺技術(shù)方面的研究與國外還具有較大的落后，首先，機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域在我們國家發(fā)展的就比較晚，只有在近幾年里才慢慢引進(jìn)機(jī)器視覺技術(shù)，導(dǎo)致目前機(jī)器視覺技術(shù)只能在低端方面應(yīng)用。目前隨著國家整體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其在提出科學(xué)技術(shù)才是第一生產(chǎn)力之后，機(jī)器視覺 技術(shù)逐漸出現(xiàn)在我國的各個行業(yè)中，國內(nèi)科研人士已經(jīng)對于采用圖像和機(jī)器視覺技術(shù)的工業(yè)自動化、智能化的研究取得了進(jìn)一步的成功，比如：李留格在輪胎編號特征識別比對提出了 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法；李朝輝在提取視頻幀的高頻成分中出了形態(tài)算子的方法，采用了分離視頻中的文本字符，大大提高了識別速度與識別率。在機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域中，字符識別是一個重要的組成部分，它在實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)、辦公自動化以及文字信息處理等高技術(shù)領(lǐng)域里擁有中至關(guān)重要的應(yīng)用價值和理論意義。機(jī)器視覺在我們國家的應(yīng)用主要體現(xiàn)在工廠零件識別比對、礦泉水瓶蓋檢測以及制藥、印刷領(lǐng)域中都有應(yīng)用。這些都是低端方面的應(yīng)用，真正較為高級的應(yīng)用還比較欠缺，所以，機(jī)器視覺技術(shù)在我們國家發(fā)展前景巨大。1.4 研究方法與內(nèi)容本文主要目的是以機(jī)器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)，將虛擬儀器 LabVIEW 作為軟件開發(fā)平臺，進(jìn)行工業(yè)零件檢測，把兩者相結(jié)合，設(shè)計(jì)一個性價比高的機(jī)器視覺工業(yè)零件檢測系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品檢測。本文的主要研究內(nèi)容理解機(jī)器視覺技術(shù)的工作原理、了解機(jī)器視覺技術(shù)的構(gòu)成部分、明白機(jī)器視覺技術(shù)的圖像采集、通曉機(jī)器視覺技術(shù)的圖像處理、領(lǐng)會LabVIEW 的算法設(shè)計(jì)、懂得硬件結(jié)構(gòu)的搭建，從而保證整個系統(tǒng)的成功運(yùn)行，進(jìn)行工業(yè)零件的檢測。2 機(jī)器視覺技術(shù)2.1 機(jī)器視覺的概述機(jī)器視覺是利用光源和攝像機(jī)進(jìn)行物體的圖像采集，然后把采集的圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸給計(jì)算機(jī)，通過數(shù)字信號獲取其中的信息，從而控制設(shè)備動作。機(jī)器視覺的工作原理是通過 PC 模擬人的視覺功能，對客觀世界感知，通過采集的圖像分析現(xiàn)實(shí)世界的過程3，機(jī)器視覺技術(shù)通常是利用機(jī)器視覺產(chǎn)品圖像采集裝置（CCD 和 CMOS）采集目標(biāo)圖像，然后對其進(jìn)行圖像處理（亮度、顏色、尺寸和分布），最后進(jìn)行圖像比對，根據(jù)識別結(jié)果來獲得所需的信息以及控制設(shè)備。2.2 機(jī)器視覺的分類常見的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為 PLC-Based 系統(tǒng)和 PC-Based 系統(tǒng)8:（1） PLC-Based 系統(tǒng)從 PLC-Based 系統(tǒng)中可以看出，機(jī)器視覺的作用就是一個傳感器（智能化的），在 PLC-Based 系統(tǒng)里，它的圖像處理模塊是與整個系統(tǒng)相互獨(dú)立的，圖像處理模塊在與 PLC 交換數(shù)據(jù)時是通過 I/O 和串行總線進(jìn)行的，而它的硬件系統(tǒng)在處理圖像時大多是采用嵌入式計(jì)算機(jī)和專用且高速的 ASIC 進(jìn)行的，系統(tǒng)軟件在圖像處理器里，利用在計(jì)算機(jī)中開發(fā)軟件，或是在簡單的鍵盤裝置中對監(jiān)視器里的菜單執(zhí)行操作。Image Checker M100/200 公司（日本松下集團(tuán)）執(zhí)行了灰度檢查（256 級別的）的數(shù)學(xué)與邏輯等功能，而 Siemens 公司（德國）在智能化的工業(yè)視覺技術(shù)上提出了在 PROFIBUS 系統(tǒng)里的解決方法。綜上所述，我們可以看出，PLC-Based 系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：成本低、可靠性好、效率高、小型化以及集成化等。（2） PC-Based 系統(tǒng)在整個 PC-Based 系統(tǒng)里，它包含著一個獨(dú)一無二的圖像采集卡，其主要體現(xiàn)在它的高性能這一方面，它可以采用連接一個或者多個攝像頭，進(jìn)行實(shí)物的圖像數(shù)據(jù)采集，其作用是充當(dāng)整個 PC-Based 系統(tǒng)的函數(shù)庫，目前使用 PC-Based 系統(tǒng)的公司也比較多，其中常見的有 Data Translation 公司和 NI 公司，這兩家公司都是美國公司，這也體現(xiàn)出提到的美國在機(jī)器視覺這一方面有比較突出的研究，其中 Data Translation 公司，該公司是在 Windows 的環(huán)境下采用 C 或者 C+進(jìn)行圖像編程，客戶可以簡單而且快速的對它進(jìn)行使用。NI 公司則是注重研究開發(fā)虛擬儀器 LabVIEW 軟件這一方面，而且他們是將機(jī)器視覺技術(shù)完美的應(yīng)用在了工業(yè)控制這一部分。綜上所述，我們可以看出，PC-Based 系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：成本低、靈活性高、開放性好，同時還具有良好的 Windows 界面。2.3 機(jī)器視覺的特點(diǎn)與應(yīng)用機(jī)器視覺是利用利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，最終進(jìn)行圖像識別，主要體現(xiàn)出了工業(yè)生產(chǎn)的人工智能化，就科學(xué)圖像處理系統(tǒng)而言，機(jī)器視覺技術(shù)具有以下特點(diǎn)：機(jī)器視覺將人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識別等學(xué)科與工業(yè)生產(chǎn)緊密聯(lián)系在一起，這就使機(jī)器視覺系統(tǒng)和科學(xué)圖像處理分析系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：（1）非接觸性。這一特點(diǎn)我們在第一章概述中就可以看出，機(jī)器視覺它是通過攝像機(jī)進(jìn)行采集圖像的，然后將采集到的圖像通過電信號輸送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化的處理，最后控制生產(chǎn)設(shè)備。（2）編程算法簡單易懂。目前，視覺技術(shù)主要采用采用虛擬儀器 LabVIEW 軟件編程，與傳統(tǒng)的 C 或者 C+相比，它的程序算法沒有 C 或者 C+那么復(fù)雜、冗長，程序塊簡單且易懂，用戶可以自己在 LabVIEW 軟件上直接編程操作。隨著科技的迅速發(fā)展，機(jī)器智能已逐漸取代人體勞作，這更加推動了機(jī)器視覺軟件編程算法向精簡方面的發(fā)展。（3）廣義性。科學(xué)圖像處理系統(tǒng)是利用將圖像分析與處理后，對客觀世界進(jìn)行科學(xué)的解釋，而機(jī)器視覺技術(shù)是你通過攝像機(jī)采集圖像，然后將采集到的圖像通過電信號的方法傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對采集到的圖像進(jìn)行數(shù)字化的分析與處理后，最終執(zhí)行相應(yīng)的操作，與科學(xué)圖像處理系統(tǒng)相比，機(jī)器視覺技術(shù)體現(xiàn)出來的意義更加廣泛。（4）自動化程度高。機(jī)器視覺技術(shù)，換而言之，就是講視覺賦予機(jī)器人， 從而代替人力勞作，這樣我們就可以節(jié)省很多時間，金錢以及完成一些高危險(xiǎn)或者我們?nèi)肆Σ豢赡芡瓿傻氖虑椤＿@也就體現(xiàn)了機(jī)器視覺技術(shù)高效性和高自動化程度。（5）高可靠性、高精度、高適應(yīng)性、高效率和高速度。首先，機(jī)器視覺技術(shù)它與人眼視覺不同，它不像人眼會疲勞，需要休息，而機(jī)器視覺技術(shù)可以一天二十四小時不間斷的工作，其次，人眼視覺由于長時間工作會受到周圍環(huán)境的影響會出現(xiàn)判斷誤差，還有，人眼對于一些高危險(xiǎn)的工作是無法進(jìn)行操作的，這些都是人眼視覺與機(jī)器視覺技術(shù)無法相提并論的。因?yàn)闄C(jī)器視覺技術(shù)擁有以上眾多優(yōu)點(diǎn)，所以，機(jī)器視覺技術(shù)廣泛的應(yīng)用在社會生活的各個領(lǐng)域中，重要變現(xiàn)在一下幾點(diǎn)：（1）工業(yè)方面的應(yīng)用：主要包括產(chǎn)品檢測、自動焊接、自動裝配和生產(chǎn)流水線以及人類無法完成的高危險(xiǎn)工作等。（2）交通、軍事和公安方面的應(yīng)用：在交通方面，機(jī)器視覺技術(shù)可以識別車輛、車牌號碼、檢測交通和分析事故等；在軍事方面，機(jī)器視覺技術(shù)可以模擬軍艦、坦克和飛機(jī)的訓(xùn)練，也可以巡航導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)、架勢無人飛機(jī)的飛行等； 在公安方面，機(jī)器視覺技術(shù)可以監(jiān)控公共場所的安全及識別人臉、和指紋等。（3）虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用：機(jī)器視覺技術(shù)還可以模擬虛擬現(xiàn)實(shí)生活，主要包括模擬建模場景、模擬飛機(jī)駕駛員的訓(xùn)練、模擬戰(zhàn)場環(huán)境、模擬醫(yī)學(xué)手術(shù)等。通過對這幾點(diǎn)的模擬，我們可以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，避免在現(xiàn)實(shí)生活中出錯。（4）醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用：機(jī)器視覺技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用， 因?yàn)闄C(jī)器視覺技術(shù)可以替代醫(yī)生對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分析，主要應(yīng)用包括：分析染色體的形態(tài)、分類細(xì)胞中的紅細(xì)胞、白細(xì)胞以及對癌細(xì)胞的識別。（5）農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用：機(jī)器視覺技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品的檢測時，可以排除外界環(huán)境的干擾，對農(nóng)產(chǎn)品的色澤、大小以及形狀進(jìn)行檢測，除此之外，機(jī)器視覺技術(shù)還可以對這些農(nóng)產(chǎn)品的特征進(jìn)行定量描述，這一點(diǎn)人工檢測是與之無法比擬的。2.4 機(jī)器視覺技術(shù)在應(yīng)用中的問題目前，雖然機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在社會生活的各個領(lǐng)域當(dāng)中，但是在機(jī)器視覺技術(shù)上我們?nèi)杂胁惶晟频牡胤?，這也極大的限制了機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，此外，我我們對于機(jī)器視覺技術(shù)的研究做的還不到位，想要簡歷一個與人眼視覺相比擬的機(jī)器視覺系統(tǒng)還是比較困難的。主要原因包括：（1）外界因素對圖像的影響。在主觀世界中，物體要受到空氣、光源、物體本身的性質(zhì)以及攝像機(jī)的角度等影響。（2）機(jī)器視覺技術(shù)雖然替代人眼視覺來做出判斷，但它分許出來的結(jié)果和人類的判斷存在這一定的誤差，我們是沒有辦法對機(jī)器視覺技術(shù)闡述表明我們對事物的看法的，也無法對其進(jìn)行指導(dǎo)。（3）采集到的圖像不充分。這主要體現(xiàn)在我們采集的物體是主觀世界中存在的，物體本身是三維景物，而在圖像采集呈現(xiàn)出來的是二維圖像，這就喪失了物體的深度信息。視覺技術(shù)深奧與復(fù)雜的機(jī)理讓我深知，我們在研究和發(fā)展機(jī)器視覺還要有很長的路要走。2.5 基于機(jī)器視覺的產(chǎn)品檢測系統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)的工作方式：首先，機(jī)器視覺系統(tǒng)采用攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集， 然后將采集到圖像通過電信號的方式傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對采集到的圖像進(jìn)行處理和分析后輸出結(jié)果，最后通過得到的結(jié)果控制設(shè)備動作。機(jī)器視覺技術(shù)廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域的主要原因如下：（1）CCD 等硬件部分的成本的降低，這從經(jīng)濟(jì)上支持了機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展；近年來，圖像處理技術(shù)也得到了大大的提高，這從技術(shù)上支持了機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展；還有，目前社會生活中出現(xiàn)大量的高危險(xiǎn)工作，這是人類自己無法完成的，這也是機(jī)器視覺技術(shù)迅速發(fā)展的前提所在。（2）無論是社會生活中大批量的生產(chǎn)制造，還是目前人類已經(jīng)越來越重視生產(chǎn)過程的高度自動化和生產(chǎn)質(zhì)量，這都使的擁有高精度、高速度、高效率和高可靠性的機(jī)器視覺技術(shù)在生產(chǎn)過程中的脫穎而出。3 虛擬儀器與 LabVIEW3.1 虛擬儀器簡介3.1.1 虛擬儀器的概念虛擬儀器是利用以計(jì)算機(jī)為載體來控制現(xiàn)實(shí)世界的自動化測量和控制的系統(tǒng)，常見的一種虛擬儀器結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示。圖 3.1 典型的虛擬儀器結(jié)構(gòu)首先，通過傳感器對被測對象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)以物理量的形式轉(zhuǎn)換電量傳送給信號調(diào)理期，經(jīng)過信號調(diào)理期的濾波、放大處理后，然后傳送給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將這個電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送至計(jì)算機(jī)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能夠處理數(shù)字信號，最后，應(yīng)用軟件通過讀取數(shù)據(jù)采集卡中的數(shù)字信號， 進(jìn)行控制設(shè)備的動作。從虛擬儀器的架構(gòu)中我們可以看出，虛擬儀器可以利用自己本身的硬件部分實(shí)現(xiàn)各類測試系統(tǒng)普遍適用的任務(wù)，而軟件部分則是來實(shí)現(xiàn)不同測試系統(tǒng)的特別規(guī)定的任務(wù)，這就說明，在虛擬儀器中更換測試任務(wù)僅僅只是需要更換權(quán)健編程部分就可以實(shí)現(xiàn)，這就體現(xiàn)出了使用虛擬儀器的高性價比與多功能性。目前，虛擬儀器的開發(fā)平臺有很多種，National Instruments，NI 公司（美國國家儀器）研發(fā)的實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺 LabVIEW（Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench）是當(dāng)前最流行的程序開發(fā)平臺，LabVIEW 軟件 ongoing 開發(fā)的每一個程序稱為一個 VI（Virtual Instruments）1，利用LabVIEW 軟件作為開發(fā)平臺有一下優(yōu)點(diǎn)：（1）程序開發(fā)效率高。這是因?yàn)?LabVIEW 可以直接以經(jīng)典的信號處理函數(shù)和高級信號分析函數(shù)的圖標(biāo)形式展現(xiàn)給用戶，使用者僅僅需要連線 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能，這樣使用者可以直觀、形象、便于修改和移植的使用 LabVIEW 軟件進(jìn)行編程。（2）高效性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，用戶在使用 LabVIEW 作為開發(fā)虛擬儀器的平臺時，要比基本語言作為虛擬儀器的開發(fā)平臺效率要高的很多，大約是 1015 倍。（3）易集成。LabVIEW 程序不但能夠與工業(yè)現(xiàn)場總線通信，而且還可以與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，與此同時，LabVIEW 程序與數(shù)據(jù)采集硬件的集成是非常容易的。（4）強(qiáng)功能性。LabVIEW 軟件在信號處理這一方面擁有強(qiáng)大的功能，這一點(diǎn)，組態(tài)軟件是與虛擬儀器無法相比的。3.1.2 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)目前，虛擬儀器的形式有很多種，們在日常生活中經(jīng)常見到的有以下幾種：（1） PXI 總線PCI eXtensions for Instrumentation 總線結(jié)構(gòu)，簡稱 PCI 總線，它通過擴(kuò)展才得到現(xiàn)在的 PXI 總線結(jié)構(gòu)，在 PXI 總線虛擬儀器結(jié)構(gòu)中，它的機(jī)箱上有很多個槽，在這些槽中，可以插入各類數(shù)據(jù)采集模塊，如圖 3.2 所示。（2） CRIO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2 PXI 總線結(jié)構(gòu)CRIO 是 Compact Reconfigurable Input/Output 的簡稱，它是有美國 NI 公司研發(fā)的一種小巧化、新型化的采集系統(tǒng)，CRIOI 系統(tǒng)具有可靠性、實(shí)時性。如圖 3.3 所示，在 CRIO 機(jī)箱中，包含了 FPGA 芯片、信號調(diào)理模塊、實(shí)時控制器以及信號輸入/輸出模塊。在 CRIO 系統(tǒng)程序開發(fā)完成后既可以與專門的硬件電路通信，還可以脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，這也是 NI 公司長期霸占工業(yè)市場的主要原因。（1） USB 總線結(jié)構(gòu)圖 3.3 CRIO 結(jié)構(gòu)USB 總線結(jié)構(gòu)是利用 USB 接口向計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，美國?NI 公司也研發(fā)出專門的 Compact DAQ 系統(tǒng)，如圖 3.4 所示，該系統(tǒng)是通過 USB 總線進(jìn)行計(jì)算機(jī)與機(jī)箱內(nèi)的數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊進(jìn)行通信。圖 3.4 Compact DAQ 結(jié)構(gòu)（2） GPIB 或串口設(shè)備結(jié)構(gòu)GPIB 或串口形式的虛擬儀器結(jié)構(gòu)，不僅可以發(fā)揮傳統(tǒng)虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)，而且可以該高效的利用現(xiàn)有的技術(shù)資源，通用接口總線 GPIB 是傳統(tǒng)儀器和計(jì)算機(jī)的接口，PC 通過 GPIB-USB 控制器（外部）、GPIB 通信卡（內(nèi)部）、GPIB 電纜， 進(jìn)行對傳統(tǒng)儀器的訪問，如圖 3.5 所示。19（5）分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.5 GPIB 結(jié)構(gòu)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是利用計(jì)算機(jī)串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接通信，美國 NI 公司對這種系統(tǒng)有研發(fā)成果，常見的有 Filed Point 模塊和 Compact Filed Point 模塊， 其中 Compact Filed Point 模塊具有良好的抗震性、抗沖擊性且尺寸較小。Filed Point 模塊如圖 3.6 所示。圖 3.6 Filed Point 模塊3.1.3 虛擬儀器的特點(diǎn)虛擬儀器是通過高效靈活的軟件以及高性能模塊化的硬件來實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備動作1，高性能的模塊化硬件可以提供定時、同步等軟/硬件平臺的應(yīng)用需求， 而高效靈活的軟件可以自定義的創(chuàng)建用戶界面。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器及數(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器的概念，是儀器領(lǐng)域內(nèi)的一次重大革命，虛擬儀器是繼智能化儀器之后的新一代儀器，虛擬儀器的出現(xiàn)，代表了當(dāng)前測試儀器發(fā)展的方向，虛擬儀器的發(fā)展進(jìn)程如圖 3.7 所示。圖 3.7 虛擬儀器的發(fā)展進(jìn)程虛擬儀器的出現(xiàn)，打破了制造商定義的傳統(tǒng)儀器，用戶可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需求，充分發(fā)揮自己的才華和想象空間，設(shè)計(jì)出自己需要的儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，軟件是整個系統(tǒng)的核心部分，硬件僅僅只是起到了輔助作用，硬件部分只是實(shí)現(xiàn)了信號的輸入與輸出，用戶在改變設(shè)計(jì)需求時，只需要修改軟件部分，即LabVIEW 的軟件編程，就可以實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的各個功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表 3.1 所示。表 3.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較比較內(nèi)容虛擬儀器傳統(tǒng)儀器可塑造性用戶定義儀器功能，柔性廠商定義儀器功能，剛性連接可方便的與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)連接與其他儀器設(shè)備的連接有限開發(fā)費(fèi)用軟件使得開發(fā)和維護(hù)費(fèi)降至最低開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高技術(shù)更新周期短（1 年2 年）長（5 年10 年）系統(tǒng)構(gòu)成軟件和硬件通用，軟件是關(guān)鍵專用硬件系統(tǒng)性價比價格較低價格較高系統(tǒng)開放性開放、靈活與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展封閉、固定編程與開發(fā)自己編程硬件，二次開發(fā)強(qiáng)無法自己編程硬件，二次開發(fā)差顯示選項(xiàng)無限的顯示選項(xiàng)有限的顯示選項(xiàng)人機(jī)交互無限的顯示選項(xiàng)，界面友好有限的顯示選項(xiàng)根據(jù)表 3.1 我們可以看出，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器擁有巨大的優(yōu)越性， 同時虛擬儀器要比傳統(tǒng)儀器顯得更加靈活，用戶可以自己利用軟件、硬件以及計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的搭建，目前，隨著產(chǎn)品的多樣化與復(fù)雜化，虛擬儀器體現(xiàn)出來的高效率、高可靠性、高精度、高速度以及高時效性等優(yōu)點(diǎn)，最終成為了人類的選擇。3.2 虛擬儀器的構(gòu)建技術(shù)在生產(chǎn)領(lǐng)域中，我們都知道，主要包括以下幾部分，采集數(shù)據(jù)、控制設(shè)備和監(jiān)控過程，這幾部分是必不可少的，當(dāng)然，虛擬儀器也同樣如此，它的組成主要包括調(diào)理與采集信號、數(shù)據(jù)的分析與處理和輸出結(jié)果與顯示。虛擬儀器的構(gòu)成如圖 3.8 所示。圖 3.8 虛擬儀器的構(gòu)成3.3 機(jī)器視覺與虛擬儀器結(jié)合的必然性首先，隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，當(dāng)前機(jī)器視覺系統(tǒng)的價格與過去的昂貴相比已經(jīng)不復(fù)存在，這使得很多用戶都可以接受高性價比的機(jī)器視覺系統(tǒng)。其次，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PCI 總線的寬帶傳輸速率也大大提高，從以前的 ISA 總線的寬帶傳輸速率 35Mb/s 發(fā)展到了如今的 PCI 總線寬帶傳輸速率95132Mb/s，除此之外，PCI 總線還可以與設(shè)備進(jìn)行主模式的方式直接連接， 這樣系統(tǒng)就可以留出大量的時間為 CPU 處理其他工作，機(jī)器視覺系統(tǒng)的速度也會因此而得到大大的提高。再者，人類對于 Windows 的操作系統(tǒng)與機(jī)器視覺系統(tǒng)的深度研發(fā)，這使得機(jī)器視覺系統(tǒng)的開發(fā)更加可靠、快速。與此同時，在近幾年，Windows 平臺對于機(jī)器視覺的軟件研發(fā)也逐步完善，主要體現(xiàn)在算法的集成化，這就使得開發(fā)者在研究算法上節(jié)省了大量的時間，大大降低了整個系統(tǒng)的開發(fā)周期，同時，系統(tǒng)的整體價格也得到了降低。綜上所述，將虛擬儀器與機(jī)器視覺結(jié)合起來研發(fā)的檢測系統(tǒng)，不僅僅使得兩者技術(shù)得到了充分的發(fā)揮，還大大縮短了開發(fā)周期，同時，還是得整個系統(tǒng)的性價比、可靠性和靈活性大大提高。3.4 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺系統(tǒng)基于虛擬儀器的機(jī)器視覺系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的基于硬件來實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)的基于硬件來實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺系統(tǒng)開發(fā)成本高、開發(fā)周期長，這主要體現(xiàn)在傳統(tǒng)的基于硬件來實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺系統(tǒng)它的硬件部分費(fèi)用較高，以及傳統(tǒng)的基于硬件來實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺系統(tǒng)它主要采用的編程語言是匯編語言，這就導(dǎo)致它的開發(fā)難度大，而基于虛擬儀器的機(jī)器視覺系統(tǒng)，它不但結(jié)合了虛擬儀器和機(jī)器視覺的強(qiáng)大功能和低廉成本的特點(diǎn)，而且還縮短了整個系統(tǒng)的開發(fā)周期。此外， 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺系統(tǒng)以自己本身的高可靠性、高靈活性和高性價比在整個市場上脫穎而出。3.5 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的組成常見的基于虛擬儀器的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的組成部分包括：光源、攝像頭、傳感器、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)（核心）如圖 3.9 所示。圖 3.9 基于虛擬儀器的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（1）光源。在攝像頭對物體進(jìn)行圖像采集時，光照起到了至關(guān)重要的作用， 因?yàn)楣庹湛梢灾苯佑绊憟D像的質(zhì)量，常見的產(chǎn)生光源的器件是 LED 燈。（2）攝像頭。攝像頭是對物體進(jìn)行圖像采集的器件，這就對攝像頭的選取這一部分有了嚴(yán)格的要求。（3）計(jì)算機(jī)平臺。電腦是整個視覺系統(tǒng)的核心，計(jì)算機(jī)通過 CPU 實(shí)現(xiàn)處理圖像數(shù)據(jù)以及控制設(shè)備動作，計(jì)算機(jī)完成了大部分操作，因此，我們說計(jì)算機(jī)是整個視覺系統(tǒng)的核心。（4）圖像采集卡。圖像采集卡的作用是將攝像頭采集到的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)，她的傳輸方式主要有 PCI 總線模式和 Compact PCI 總線模式。3.6 LabVIEW 編程軟件及其應(yīng)用LabVIEW 不同于傳統(tǒng)的編程語言，傳統(tǒng)的編程語言（Java、C、C+）采用文本的方式進(jìn)行編程，而 LabVIEW 軟件編程類似于 MATLAB，他們都是采用圖形符號進(jìn)行編寫程序。LabVIEW 編程軟件不僅可以應(yīng)用在 Mac、Windows、Linux 系統(tǒng)的計(jì) PC 上，而且還可以運(yùn)行在嵌入式的平臺上，主要包括包括微處理器、DSP(DigitalSignalProcessor)和 FPGA(FieldProgrAmmableGateArray)。3.7 LabVIEW 的工作原理LabVIEW 的程序由一個或多個 VI 構(gòu)成，其中，每一個 VI 都由以下三個組件構(gòu)成：前面板、圖標(biāo)、框圖。前面板的 VI 的人交互界面，前面板主要包含按鈕、圖形和旋鈕，作為輸入與輸出。圖標(biāo)表示 VI 的圖形，用戶可以直接作為圖形使用?？驁D是用戶編寫的程序，有程序執(zhí)行控制結(jié)構(gòu)、內(nèi)置函數(shù)、常量、低級VI。用戶只需要將對象連線就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，框圖上的終端對應(yīng)的是前面板， 數(shù)據(jù)通過用戶傳送給程序，最后由程序傳送給用戶。在 LabVIEW 調(diào)用程序時，首先，將一個程序分成一些的子程序，其次，利用每一個 VI 來完成子程序，最后， 將每一個 VI 進(jìn)行連接，主要體現(xiàn)出了模塊化的編程，每個子 VI 都可以進(jìn)行單獨(dú)調(diào)用，使用這種體系結(jié)構(gòu)，提升了 LabVIEW 的模塊化編程，除此之外，每一個VI 執(zhí)行的任務(wù)是很多程序通用的，這樣就保證了每一個程序的單獨(dú)調(diào)用。3.8 LabVIEW 的特點(diǎn)LabVIEW 作為圖形化編程語言的開發(fā)軟件，以簡潔、自然、直觀的形式呈現(xiàn)給用戶，用戶只需要將定義好的 VI 模塊拖哦程序框圖里，就可以實(shí)現(xiàn)整體的設(shè)計(jì)，這樣不僅僅節(jié)省了用戶的程序設(shè)計(jì)見，還大大的提高了生產(chǎn)效率。LabVIEW 的主要特點(diǎn)：（1）圖形化的儀器編程環(huán)境；（2）支持 TCP/IP、DDE 的功能；（3）可以直接調(diào)用其他平臺的模塊；（4）內(nèi)置有程序編譯器，提高了運(yùn)行速度；（5）提供 VXI、GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的驅(qū)動程序；（6）支持多種系統(tǒng)的研發(fā)，可以直接進(jìn)行程序的移植；（7）靈活的程序調(diào)試手段，可以在源代碼中靈活的調(diào)用程序。4 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖 4.1 所示：圖 4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)主要由圖像處理模塊、信號處理模塊、上位機(jī)監(jiān)控模塊、圖像采集模塊、檢測模塊組成，其中檢測模塊為一個光電傳感器，用于檢測零件是否到達(dá)指定的位置。信號處理模塊為 STC89C51 型號的單片機(jī)，通過串口通信將信號傳送到上位機(jī)監(jiān)控界面上。圖像采集、處理模塊為一個 CCD 工業(yè)攝像機(jī)和圖像采集卡， 可以采集到質(zhì)量很好的圖像、具有良好的抗噪能力。監(jiān)控模塊為 LabView 軟件編寫的監(jiān)控界面。4.2 工藝流程待檢測零件運(yùn)動及檢測過程如圖 4.2、圖 4.3、圖 4.4 所示：圖 4.2 流程圖（待檢測零件未到達(dá)光源位置時）圖 4.3 流程圖（待檢測零件到達(dá)光源位置時）圖 4.4 流程圖（待檢測零件到達(dá)相機(jī)位置時）光電開關(guān)與相機(jī)和光源保持靜止，首先，將待檢測零件放在傳送帶上，當(dāng)光電開關(guān)檢測到待檢測零件時，光電開關(guān)將信號傳到單片機(jī)，通過串口通訊，單片機(jī)將零件過來的信號傳到上位機(jī)內(nèi)，上位機(jī)準(zhǔn)備就緒。同時，單片機(jī)發(fā)出電平信號到連接相機(jī)的繼電器內(nèi)，使相機(jī)和光源打開，完成圖像采集，采集到的圖像經(jīng)過圖像采集卡，再傳送到單片機(jī)內(nèi)，通過與上位機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模式匹配，來判斷該零件的尺寸，大小，螺紋，表面缺陷性等是否符合要求。整個系統(tǒng)具有連貫性，可連續(xù)工作。5 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)光電開關(guān)檢測到傳送帶上的零件時，相機(jī)工作對圖片進(jìn)行采集，經(jīng)過STC89C51 對圖片進(jìn)行傳送給 PC 上位機(jī)進(jìn)行零件識別比對，總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖5.1 所示：圖 5.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖5.2 硬件選取（1）光源：選取紅光十字線激光筆，如圖 5.2 所示：圖 5.2 光源（2）工業(yè)相機(jī)：選用帶支架便于調(diào)節(jié)高度 CCD 攝像機(jī)，工業(yè)相機(jī)與支架如圖 5.3、5.4 所示：圖 5.3 工業(yè)相機(jī)圖 5.4 工業(yè)相機(jī)支架（3）數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)采集卡選用 SDK878A 型號，SDK878A 數(shù)據(jù)采集卡原理框圖如圖 5.5 所示：圖 5.5 SDK878A 數(shù)據(jù)采集卡原理框圖5.3 圖像采集裝置結(jié)構(gòu)圖當(dāng)傳送帶上的待檢測的零件經(jīng)過相機(jī)時，相機(jī)對其進(jìn)行圖片采集，采集理結(jié)構(gòu)圖如圖 5.6 所示：29圖 5.6 采集模塊結(jié)構(gòu)圖待測零件由傳送帶從左向右傳送，當(dāng)?shù)竭_(dá)光電開關(guān)處，光電開關(guān)檢測到零件后，將發(fā)送一個脈沖信號給單片機(jī)，單片機(jī)再通過 RS232 串口通信將信號發(fā)至上位機(jī)。同時再將信號傳送給連接相機(jī)的繼電器，使相機(jī)打開工作。5.4 檢測模塊電路原理設(shè)計(jì)圖 5.7 檢測模塊電路原理設(shè)計(jì)圖檢測模塊電路原理設(shè)計(jì)圖如圖 5.7 所示，該電路工作原理：當(dāng)模塊受遮擋距離小于設(shè)定值時，數(shù)字開關(guān)量輸出指示燈點(diǎn)亮，D0 輸出低電平，表示光電傳感器檢測到待檢測物到達(dá)指定位置；當(dāng)模塊在遮擋距離大于設(shè)定值時，數(shù)字開關(guān)量輸出指示燈 D2 不亮，D0 輸出高電平；檢測模塊電路實(shí)物圖如圖 5.8 所示：圖 5.8 檢測模塊電路實(shí)物圖光電傳感器的工作原理：將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)變成電信號輸出。光電傳感器有三部分組成：接收器、檢測電路、發(fā)射器。發(fā)射器主要是提供光束，常見的發(fā)射器主要是發(fā)光二極管（LED 燈）；接收器有光電池、光電二極管、光電三極管組成；檢測電路的作用是濾波。5.5 信號轉(zhuǎn)換與處理電路原理設(shè)計(jì)（1）ST89C51 模塊圖 5.9 ST89C51 模塊設(shè)計(jì)圖ST89C51 模塊設(shè)計(jì)圖 5.9 所示，該電路工作原理：單片機(jī) P1.1 接受來自光電傳感器的信號，P3.0 再通過 RS232 串口通信將信號傳送給上位機(jī)；P2.7 口將信號傳送給驅(qū)動相機(jī)的電路。本模塊選用的信號處理器型號為 ST98C51 單片機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是：它的對象處理是位，而不是字或者字節(jié)，它的處理器是一套從內(nèi)部硬件至軟件有完整的操作系統(tǒng)。它不僅僅能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，而且還能夠處理特殊功能的寄存器的位，功能齊全。此外，51 系列在片內(nèi)開辟了 RAM 區(qū)間雙重功能，不但可以處理節(jié)，還惡意對位進(jìn)行處理。5.6 串口通信模塊設(shè)計(jì)圖 5.10 串口通信模塊設(shè)計(jì)圖串口通信模塊設(shè)計(jì)圖如圖 5.10 所示，該電路工作原理：單片機(jī)接收到 PC 機(jī)數(shù)據(jù)信息后，進(jìn)行查找協(xié)議，完成相應(yīng)的操作。當(dāng)單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)信息為0xA1 時，單片機(jī)讀取 P0 端口的數(shù)據(jù)，并返回給 PC 機(jī)；當(dāng)單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)信息為的 0xA2 時，單片機(jī)從 PC 機(jī)接收一段控制數(shù)據(jù)；當(dāng) PC 機(jī)接收到的數(shù)據(jù)信息為 0xA3 時，單片機(jī)操作成功。本模塊選用的負(fù)載型號為 RS232 串口模塊。通信協(xié)議是通信設(shè)備在通信前的約定。約定如下：0xA1：單片機(jī)讀取 P0 端口數(shù)據(jù)，并將返回 PC 給機(jī)；0xA2：單片機(jī)從 PC 機(jī)接收一段控制數(shù)據(jù)；0xA3：單片機(jī)操作成功。5.7 USB 接口模塊圖 5.11 USB 接口模塊USB(通用串行總線)，是連接計(jì)算機(jī)與外設(shè)的一種串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范，支持即插即用及熱插拔功能；USB 的設(shè)計(jì)是非對稱的， 它的才部分包括：主機(jī)控制器和集線器設(shè)備；最多可以控制 5 級集線器，包括Hub 在內(nèi)最多可以連接 128 個設(shè)備，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時采用 7 位尋址字段,USB 接口模塊圖如圖 5.11 所示。圖 5.12 AD 轉(zhuǎn)換模塊ADC0809 由一個 A/D 轉(zhuǎn)換器、一個 8 路模擬開關(guān)、一個三態(tài)輸出鎖存器和一個地址鎖存與譯碼器組成。當(dāng) OE 端口輸出為高電平時，三態(tài)輸出鎖器對 A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，而 A/D 轉(zhuǎn)換器是將 8 路模擬開關(guān)的輸入信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，AD 轉(zhuǎn)換模塊如圖 5.12 所示。ADC0809 對 8 路模擬開關(guān)輸入是有要求的，電壓范圍是 05V，輸入信號為單極性。圖 5.13 DA 轉(zhuǎn)換模塊DAC0832 的兩級輸入寄存器，使 DAC0832 芯片有三種輸入方式：直通、單緩沖、雙緩沖，從而適合多路 D/A 的同步轉(zhuǎn)換、異步輸入等需求，它的采樣頻率為八位的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片，DA 轉(zhuǎn)換模塊圖如圖 5.13 所示。圖 5.14 ICL 模塊ICL7660 是 Maxim 公司生產(chǎn)的小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器。ICL 模塊如圖5.14 所示，ICL7660 的輸入電壓范圍為 1.510V，靜態(tài)電流值為 170A，工作頻率為 10kHz，僅僅需要外接 10F 的小體積電容，效率高達(dá) 98，符合輸出100mA 的要求。6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1 系統(tǒng)程序流程圖系統(tǒng)程序流程圖如圖 6.1 所示：圖 6.1 系統(tǒng)程序流程圖6.2 LABVIEW 設(shè)計(jì)圖系統(tǒng)軟件是通過 LabVIEW 進(jìn)行編寫程序,主程序的流程為"當(dāng)零件到達(dá)檢測位置時,控制器向主計(jì)算機(jī)發(fā)出信號,計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像采集、特征邊緣提取、計(jì)算參數(shù)后，顯示最終結(jié)果。程序編制步驟（主要是用 LabView 軟件實(shí)現(xiàn)圖像的處理以及模式匹配與識別）：該系統(tǒng)先通過位于工作臺上方的相機(jī)來采集零件的圖像，相機(jī)通過數(shù)據(jù)線和圖像采集卡將圖像數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過 LabVIEW 的 vison 模塊對采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理、特征提取并與計(jì)算機(jī)中的模板相匹配，最終判斷零件是否符合要求。6.2.1 前面板設(shè)計(jì)圖 6.2 LABVIEW 前面板設(shè)計(jì)圖前面板包含相機(jī)選項(xiàng)、圖像顯示界面、匹配結(jié)果文本框，LABVIEW 前面板設(shè)計(jì)圖如圖 6.2 所示（為了簡便起見，本文用證件照代替工業(yè)零件進(jìn)行檢測）。6.2.2 檢測結(jié)果（1）當(dāng)檢測的零件與數(shù)據(jù)庫里的零件相匹配時，如圖 6.3 所示，則在合格工件數(shù)里顯示加 1。圖 6.3 檢測合格示意圖（2）如果檢測零件與數(shù)據(jù)庫不匹配，如圖 6.4 所示，則在不合格工件數(shù)欄里顯示加 1。圖 6.4 檢測不合格示意圖6.2.3 后面板設(shè)計(jì)（1）圖像采集模塊該模塊主要運(yùn)用 NI 的 VDM 模塊進(jìn)行圖像采集，并放置于 while 循環(huán)中，當(dāng)按下程序執(zhí)行按鈕時，則執(zhí)行圖像采集過程，并在前面板中示如圖 6.5 所示：圖 6.5 LABVIEW 后面板設(shè)計(jì)圖當(dāng)圖像采集完成之后，就要對圖像進(jìn)行處理和匹配，預(yù)存的圖片路徑保存在程序框圖中 IMAQ ReadFile 模塊中，當(dāng)采集到的零件圖像與預(yù)存的圖像能匹配成功時，則跳出 while 循環(huán)，并且在前面板中顯示匹配成功，反之亦然。圖 6.6 LabVIEW 視覺包IMAQ Vision 的函數(shù)分為四個部分：機(jī)器視覺、圖像信息采集、處理、分析， 如圖 6.6 所示。（2）配置和采集圖像模板圖 6.7 調(diào)用相機(jī)模塊調(diào)用相機(jī)模塊如圖 6.7 所示，從圖中可以看出，主要用到了下邊三個模塊： IMAQdx Grab、IMAQdx Configure Grab、IMAQdx Open Camera。其中 IMAQdx OpenCamera 模塊主要提供了調(diào)用相機(jī)的功能。37IMAQdx Configure Grab 的功能主要是采集圖像，如圖 6.8 所示。圖 6.8 圖像采集模板IMAQdx Grab 的主要功能是配置圖像，如圖 6.9 所示。圖 6.9 圖像配置模塊通過該視覺處理模塊，能很好的達(dá)到檢測零件是否符合要求的目的，最大限度的提取零件表面的特征，將反映零件紋理的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)作比較，并與數(shù)據(jù)庫中的預(yù)存的圖像進(jìn)行匹配，由此判斷零件的質(zhì)量如圖 6.10 所示。圖 6.10 圖像匹配模塊7 結(jié)束語本文通過對機(jī)器視覺技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)分析與研究，完成了硬件部分與廉部分的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了工業(yè)零件的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本論文主要的研究成果如下：（1）以典型的機(jī)器視覺結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，搭建與系統(tǒng)相符的硬件平臺；（2）采用 LabVIEW 編程軟件為開發(fā)平臺，不僅提高了整個系統(tǒng)的靈活性、高精度和擴(kuò)展性，而且縮短了整個他的開發(fā)周期，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)的缺陷；（3）利用 IMAQVision/VisionAssistant 圖像處理模塊，使系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)與擴(kuò)充。（4）選擇了合理的圖像處理方法與過程，編寫設(shè)計(jì)所需的算法。但是，由于本論文的研究內(nèi)容與技術(shù)較多，所以在設(shè)計(jì)中仍有一些不完善的地方，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）機(jī)器視覺、運(yùn)動控制和網(wǎng)絡(luò)通訊等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合。（2）多傳感器測量技術(shù)的應(yīng)用。（3）圖像處理和各類圖像分割算法的進(jìn)一步研究。對于以上三點(diǎn)的研究有待完善。參考文獻(xiàn)1 肖成勇，雷振山，魏麗.LabVIEW 2010 基礎(chǔ)教程M.北京.中國鐵道出版社 2012.2 解璞，李瑞.LabVIEW 2014 基礎(chǔ)實(shí)例教程M.人民郵電出版社.20163 賈云得.機(jī)器視覺M.北京:科學(xué)出版社.2000:1-1034 呂金隆. 基于 LabVIEW 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