指針式儀表數據智能采集系統設計

摘要 系統采用ADSP—BF533+FPGA EP1C6T144C8架構，可實(shí)現圖像采集、指針儀表識別與讀數、數據傳輸等功能。DSP通過(guò)對采集到的圖像進(jìn)行灰度變換、邊沿檢測以及Hough變換等處理后，實(shí)現對指針式儀表表盤(pán)的識別、指針定位和讀數計算，以及指針讀數的存儲和傳輸。系統可通過(guò)串口實(shí)現組網(wǎng)測量與數據傳輸。FPGA接收DSP的指令，實(shí)現對COMS攝像頭采集控制、鍵盤(pán)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數據庫技術(shù)編寫(xiě)上位機程序，可對測量數據進(jìn)行管理和備份。
關(guān)鍵詞 DSP技術(shù)；Hough變換；SQL Serve；數據采集；ADSP-BF533

指針式儀表因具有結構簡(jiǎn)單、維護方便、不受電磁場(chǎng)干擾、可靠性高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于科學(xué)實(shí)驗和生產(chǎn)中。儀表檢測部門(mén)和儀表觀(guān)測單位在對儀表進(jìn)行觀(guān)測時(shí)，其讀數通常由人工完成。由于人員視覺(jué)誤差引起讀數誤差，且讀數速度較慢、勞動(dòng)強度大、觀(guān)測周期長(cháng)、工作效率低、易造成讀數精度低、可靠性差、重復率高等問(wèn)題。同時(shí)，指針式儀表長(cháng)期使用后，由于表面污損也給人工讀數帶來(lái)了困難。因此，如何實(shí)現指針式儀表的自動(dòng)判讀，提高觀(guān)測效率和觀(guān)測精度，就成為需要解決的問(wèn)題。
隨著(zhù)數字信號處理和數字圖像處理技術(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(kāi)發(fā)了一套指針式儀表數據智能采集系統，實(shí)踐證明該系統具有讀數效率高、讀數準確、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 研究現狀
20世紀60年代后，隨著(zhù)數字圖像處理、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(jué)技術(shù)取得了較大進(jìn)步，在許多領(lǐng)域獲得了廣泛應用。所謂機器視覺(jué)技術(shù)，主要用計算機模擬人的視覺(jué)功能，從客觀(guān)事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測、測量和控制。
自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，機器視覺(jué)系統已廣泛應用于工況監視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機器視覺(jué)系統的特點(diǎn)是可以提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)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(jué)難以滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合，常用機器視覺(jué)替代人工視覺(jué)，同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用機器視覺(jué)檢測方法可以提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，是實(shí)現計算機集成制造的基礎技術(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(jué)比較工作，這正是機器視覺(jué)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(dòng)化檢定裝置的產(chǎn)品較少，基本采用常規的檢測方法。自動(dòng)化檢定裝置作為研究方向一直在進(jìn)行之中，若自動(dòng)檢定系統研制成功并投入使用，將降低測試人員的勞動(dòng)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。
國內較早進(jìn)行指針式儀表圖像識別的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李鐵橋等，主要是對壓力表進(jìn)行了研究。王三武等人研究了水表多刻度盤(pán)的圖像識別檢定系統。李寶樹(shù)等提到了識別指針刻度線(xiàn)，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(chē)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(dòng)讀數識別的研究方法主要獲取指針的角度，根據角度關(guān)系計算出儀表的讀數。與人工讀數的方法不同，沒(méi)有根據指針與其最靠近的兩條刻度的位置關(guān)系來(lái)計算讀數，避免了在讀數準確性上的不足。
文中設計了基于Hough變換的指針式儀表智能采集系統，實(shí)現了圖像采集、處理、存儲、顯示讀數、通信等功能，并將最終數據遞交上位機數據庫保存，如圖1所示。

2 系統硬件設計
根據實(shí)際需要，指針式儀表數據智能采集系統需要完成圖像采集、處理、存儲、輸出、讀數、通信等功能，對數據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字處理共同開(kāi)發(fā)的高性能嵌入式DSP，其中ADSP—BF533當時(shí)鐘頻率為600 MHz時(shí)性能達到1 200 MMACs，能很好滿(mǎn)足數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(xiàn)分路器等為外圍電路，構建指針式儀表識別器平臺。