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大型儀器設備可視化管理系統(tǒng)的設計-龔冬梅
第26卷 第3期
2005年7月華僑大學學報(自然科學版)JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Vol.26 No.3 Jul.2005 文章編號 1000-5013(2005)03-0243-04
大型儀器設備可視化管理系統(tǒng)的設計
龔 冬 梅
(華僑大學信息科學與工程學院,福建泉州362021)
摘要 基于LabWindows/CVI軟件開發(fā)平臺,設計實驗室儀器設備可視化管理系統(tǒng).采用獨特的儀器面板圖像識別數據采集方案,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,實現直觀、形象、友好的人機界面.
關鍵詞 LabWindows/CVI,儀器設備,圖像識別,數據采集
中圖分類第一文庫網號 TP393.07;TP391.41;TH7文獻標識碼 A
目前,高校實驗室利用網絡技術實現了大型精密儀器網絡管理及使用,使儀器設備管理邁上了網絡化和數字化新臺階〔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,設計實驗室儀器設備可視化動態(tài)管理系統(tǒng).
1 系統(tǒng)硬件組成與數據采集工作原理
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)由光學物鏡、圖像傳感器、多路視頻轉換開關、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的信號輸出電纜經多路視頻轉換開關與電腦視頻卡連接,加上接口軟件即可.
1.2 儀表面板圖像識別與數據采集
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22個,加上指示燈的數量
,
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
可采集的數據超過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,并與標準圖像進行匹配判別,從而達到數據識別的目的.識別技術包括預處理和識別兩個過程.預處理主要是對輸入圖像進行對比度調整和圖像尺寸調整,對比度調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為最大值(255),而將儀表面板圖像最暗點的灰度值設為最小值(0),并按比例修改圖像上其他像素的灰度值.圖像尺寸調整是將儀表面板圖像的外層輪廓尺寸縮放到設定的標準尺寸,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,主要從事程序設計和管理軟件的研究.E-mail:dkxgdm@sina.com
244華僑大學學報(自然科學版) 2005年示儀表和指示燈的坐標定位.識別過程是將經過預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準庫的對象特征進行匹配判別.因為儀表數據識別采集應該是準確無誤的,對于無法識別的儀表圖像將數據丟棄,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)數碼管顯示數字的識別.數碼管的顯示數字為0~9,需建立的標準字庫元素少.數碼管一般采用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,然后與標準庫(查表)比較,達到數字識別的目的.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生的放大作用,引起錯誤識別.由數碼管圖像讀取的顯示數據無須其他處理就可作為采集的數據存于數據庫中.(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,以指針根部轉動軸為原點O,分別畫出
2
圖3 數碼管顯示數字的識別 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.因此,在白色底板圖像上就確定了指針的兩點坐標,然后與事先做好的該儀表面板標準庫坐標值進行匹配.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據識別采集,需要將儀表指針的坐標值通過坐標匹配或計算,才能得到實際指針指示值數據.(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位置劃定一個識別區(qū),根據該識別區(qū)的平均灰度值就可判斷指示燈是亮還是滅.指示燈圖像的數據采集只有兩個值0和1.
2 可視化管理系統(tǒng)軟件設計
可視化管理系統(tǒng)軟件,主要包括圖像處理與識別、數據庫管理和虛擬面板顯示與操作.
2.1 圖像識別數據采集層次結構
軟件系統(tǒng)由人機界面、數據庫管理和圖像識別數據采集組成.開發(fā)該系統(tǒng)的關鍵是完成圖像識別數據采集.圖像識別數據采集層次結構,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據采集結構的最高層,面向虛擬儀器面板用戶端,功能層描述的都是有關數據流程及結果判定的過程.(2)圖像識別層.它完成將儀表面板圖像轉換為數據,包括數碼管顯示數據、指針式指示數據和狀態(tài)指示燈數據.(3)儀器操作層.它利用儀器(圖像采集卡)驅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.儀器驅動程序包括VISA儀器驅動、IVI儀器驅動和數據采集卡的底層接口驅動3種.數據采集卡的底層接口驅動由動態(tài)連接庫API函數實現.(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等連接信息,并存儲在配置文件中.
2.2 圖像識別數據采集的實現
(1)圖像采集.大多數PC總線的圖像采集卡都具有自有的儀器驅動程序和函數面板,可以在CVI.
第3期 龔冬梅:大型儀器設備可視化管理系統(tǒng)的設計245序的模塊,圖像采集通過調用相應的.DLL庫函數來控制采集卡的操作.(2)圖像處理.在LabWin-dows/CVI的用戶界面函數庫中,提供了用來處理位圖的Bitmaps子類.利用NewBitmap函數、GetBit-mapFile函數等.可以在LabWindows/CVI中對DIB進行處理,DIB是Windows系統(tǒng)中標準的位圖格式.一個.bmp文件對應一個DIB數據..bmp結構體和常量在Windows.h中都有定義,程序設計時只需包含Windows.h文件即可,無須自己定義結構體和常量.應用LabWindows/CVI編寫數字圖像處理程序時,一般不應用GetBitmapFromFile函數讀取.bmp文件,而應用Fopen函數、Fread函數打開并讀取.bmp文件,將讀取的數據進行一定的轉換,如幾何處理(放大、縮小),點運算(灰度均衡),然后應用NewBitmap函數重新創(chuàng)建位圖.需要注意的是實際圖像數據的存放順序在DIP格式中是從下到上、從左至右存放的,而由NewBitmap函數重新創(chuàng)建的位圖實際圖像數據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正確轉換為與標準庫一致的坐標.
2.3 數據庫管理
微軟公司開發(fā)了一系列基于Windows平臺的數據庫訪問技術,如ODBC,DAO,RDO,OLEDB和ADO等.這里介紹在LabWindows/CVI平臺上訪問MicrosoftAccess2000數據庫的一種方法〔4〕〔2,3〕.該方法基于數據庫儀器驅動程序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數據庫之前,應在ODBC數據源管理器中對所要訪問Data.mdb數據源進行聲明,如將數據源命名為myData.將adoRec25.fp添加到應用的工程項目中,編程實現對數據源的連接和訪問.數據庫字段應包括儀器名稱、使用者姓名、開機時間、關機時間、定時采樣時間、儀表顯示數據(幾個儀表數目對應幾個顯示數據字段)和指示燈狀態(tài)數據等.
2.4 虛擬儀器面板設計
面板是LabWindows/CVI用戶界面的基礎,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,但也可以通過函數來創(chuàng)建和修改面板.根據圖2所示多功能鍍膜機控制柜儀表面板,設計虛擬儀器面板主界面,如圖5所示.圖中,原數字顯示儀表采用Text控件,因數字儀表很多,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,還設置了開機時間計時器、異常數據報警指示燈等.另外,在每個顯示儀,6
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圖6 顯示儀表的時間曲線子面板
以實現,加載子面板的函數原形如下:intpanelHandle=LoadPanel(intparantpanelHandle,charfilename[],intpanelResourceID).parantpanelHandle為父面板的句柄.
3 結束語
用LabWindows/CVI交互式編程方法,設計實驗室儀器設備可視化動態(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據采集系統(tǒng),硬件簡單,所有應用軟件模塊支持相同的公用硬件平臺.當系統(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)的數據采集和管理,而不適合可移動儀器的儀表面板的數據采集.
參 考 文 獻
1 韓 靜.利用網絡技術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.數據庫訪問技術在虛擬儀器開發(fā)平臺LabWindows/CVI上的應用研究[J].電子測量與儀器學報,
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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