基于LabView的机器视觉工业零件检测系统设计说明书.docx

目 录II摘 要IIIAbstractIV1 绪论11.1 引言11.2 视觉技术研究与应用的必要性11.3 国内外典型研究11.4 研究方法与内容22 机器视觉技术32.1 机器视觉的概述32.2 机器视觉的分类32.3 机器视觉的特点与应用42.4 机器视觉技术在应用中的问题52.5 基于机器视觉的产品检测系统63 虚拟仪器与 LabVIEW73.1 虚拟仪器简介73.2 PXI 总线结构83.2 虚拟仪器的构建技术123.3 机器视觉与虚拟仪器结合的必然性123.4 基于虚拟仪器的机器视觉系统133.5 基于虚拟仪器的机器视觉检测系统的组成133.6 LabVIEW 编程软件及其应用143.7 LabVIEW 的工作原理143.8 LabVIEW 的特点144 控制系统的总体设计164.1 设计思路164.2 工艺流程175 硬件系统设计195.1 总体设计结构图195.2 硬件选取195.3 图像采集装置结构图205.4 检测模块电路原理设计215.5 信号转换与处理电路原理设计225.6 串口通信模块设计235.7 USB 接口模块246 软件系统设计276.1 系统程序流程图276.2 LABVIEW 设计图277 结束语33参考文献34致谢37基于 LabVIEW 的机器视觉工业零件检测系统设计摘 要机器视觉是用机器来代替人眼做判断和测量的技术，广泛的应用于工业中， 主要包括产品检测、交通管理、工况监视、医疗卫生等各个领域。机器视觉技术的优点是提高生产效率和自动化程度，在大批量的生产过程中使用机器视觉技术可以大幅度提高质量检测、快速获取产品信息，能够自动处理，实现产品信息与加工成一体。目前大部分的机器视觉技术在图像采集上拥有自己专门的 CPU 和设计电路，在软件上需要编写大量且复杂的程序，导致系统研发周期长，难度大， 成本高。本课题分析了目前机器视觉技术在国内外的研究和应用，阐述了机器视觉和虚拟仪器技术的特点，选择当前最流行的美国国家仪器 National Instruments 公司研发的 LabVIEW 程序个图像采集作为硬件研发环境，调用视觉开发模块 IMAQVision 专业化控件和函数库，实现图像采集、机器视觉检测、决策判断以及 I/O 控制于一体的机器视觉产品检测平台。本文主要介绍了机器视觉的概念、系统组成和发展趋势、虚拟仪器技术与LabVIEW 程序编程，分析了机器视觉在生产过程中应用的困难，以及在图像采集检测中使用机器视觉的必要性。关键词：机器视觉；LabVIEW；IMAQ Vision；产品检测平台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 绪论1.1 引言机器视觉是指利用计算机实现人的视觉功能，通过摄像机获取信息然后将其转换成数字信号传送给计算机做出判断与识别，从而控制设备。据统计，人类从外部世界获得的信息大约有 80%是由视觉获得的，这既说明视觉信息量大，也表明人类对视觉信息有较高的利用率，同时又体现了视觉功能对人类的重要性。随着信息技术的发展，给计算机、机器人或其他智能机器赋予了人类视觉的功能， 是人类多年以来的梦想，虽然目前还不能够使计算机、机器人或其他智能机器也具有像人类那样高效、灵活和通用的视觉，但自 20 世纪 50 年代以来视觉理论和技术得到了迅速的发展，这使人类的梦想正在逐步实现。1.2 视觉技术研究与应用的必要性随着信号处理理论和计算机技术的发展，人们试图用摄像机获取环境图像并将其转换为数字信号，用计算机实现对视觉信息处理的全过程，这样就形成了一门新兴的学科计算机视觉，而机器视觉则是建立在计算机视觉的理论基础上，偏重于计算机视觉技术工程化应用，所以，视觉技术的发展是有必要的。2008 年经济危机打击了美国和世界的各个领域。在美国政府实施的“美国制造”计划下，推出了一些鼓励企业技术创新的政策，而应用可视化技术在此脱颖而出。近年来，劳动工资成本在中国急剧上升，许多制造企业转移到人力资源相对比较低的地区，而“中国制造”的声誉日益提高，视觉检测在自动化程度高的所有领域势在必行。视觉检测在工业自动化中的地位越来越重要，工业自动化的需求促进了可视化技术的高度集成。1.3 国内外典型研究在国外，机器视觉主要应用于半导体行业（40%-50%），比如：印刷电路、线路板、电子封装、质量检测、SMT 表面贴装以及电子生产加工设备，除此之外， 其他各个领域机器视觉都有广泛的应用。1994 年，S.T rika 对于机器视觉零件特征识别取得了进一步的研究；1998 年，J.Merlet 在零件装配中应用了机器视觉技术；1999 年，Du-Ming Tsai 发明了零件的非接触测量（表面粗糙度）；2003 年，Eladaw.iA.E 在数控加工中应用了机器视觉技术；M.A.Smith 研究出一种新9的成果检测视频帧中文本；韩国大学 Kim 教授研究出了一种在视频帧中文本里 Camshift 算法和基于支持向量机的检测。从机器视觉的研究来看（数量和成果），日本都是遥遥领先，英、美、德、韩等各国都有研究。与国外相比，我们国家在机器视觉技术方面的研究与国外还具有较大的落后，首先，机器视觉技术应用的领域在我们国家发展的就比较晚，只有在近几年里才慢慢引进机器视觉技术，导致目前机器视觉技术只能在低端方面应用。目前随着国家整体经济的发展，尤其在提出科学技术才是第一生产力之后，机器视觉 技术逐渐出现在我国的各个行业中，国内科研人士已经对于采用图像和机器视觉技术的工业自动化、智能化的研究取得了进一步的成功，比如：李留格在轮胎编号特征识别比对提出了 BP 神经网络的方法；李朝辉在提取视频帧的高频成分中出了形态算子的方法，采用了分离视频中的文本字符，大大提高了识别速度与识别率。在机器视觉技术领域中，字符识别是一个重要的组成部分，它在实时监控系统、办公自动化以及文字信息处理等高技术领域里拥有中至关重要的应用价值和理论意义。机器视觉在我们国家的应用主要体现在工厂零件识别比对、矿泉水瓶盖检测以及制药、印刷领域中都有应用。这些都是低端方面的应用，真正较为高级的应用还比较欠缺，所以，机器视觉技术在我们国家发展前景巨大。1.4 研究方法与内容本文主要目的是以机器视觉技术的基础，将虚拟仪器 LabVIEW 作为软件开发平台，进行工业零件检测，把两者相结合，设计一个性价比高的机器视觉工业零件检测系统，最终实现产品检测。本文的主要研究内容理解机器视觉技术的工作原理、了解机器视觉技术的构成部分、明白机器视觉技术的图像采集、通晓机器视觉技术的图像处理、领会LabVIEW 的算法设计、懂得硬件结构的搭建，从而保证整个系统的成功运行，进行工业零件的检测。2 机器视觉技术2.1 机器视觉的概述机器视觉是利用光源和摄像机进行物体的图像采集，然后把采集的图像转化成数字信号传输给计算机，通过数字信号获取其中的信息，从而控制设备动作。机器视觉的工作原理是通过 PC 模拟人的视觉功能，对客观世界感知，通过采集的图像分析现实世界的过程3，机器视觉技术通常是利用机器视觉产品图像采集装置（CCD 和 CMOS）采集目标图像，然后对其进行图像处理（亮度、颜色、尺寸和分布），最后进行图像比对，根据识别结果来获得所需的信息以及控制设备。2.2 机器视觉的分类常见的机器视觉系统可以分为 PLC-Based 系统和 PC-Based 系统8:（1） PLC-Based 系统从 PLC-Based 系统中可以看出，机器视觉的作用就是一个传感器（智能化的），在 PLC-Based 系统里，它的图像处理模块是与整个系统相互独立的，图像处理模块在与 PLC 交换数据时是通过 I/O 和串行总线进行的，而它的硬件系统在处理图像时大多是采用嵌入式计算机和专用且高速的 ASIC 进行的，系统软件在图像处理器里，利用在计算机中开发软件，或是在简单的键盘装置中对监视器里的菜单执行操作。Image Checker M100/200 公司（日本松下集团）执行了灰度检查（256 级别的）的数学与逻辑等功能，而 Siemens 公司（德国）在智能化的工业视觉技术上提出了在 PROFIBUS 系统里的解决方法。综上所述，我们可以看出，PLC-Based 系统具有以下优点：成本低、可靠性好、效率高、小型化以及集成化等。（2） PC-Based 系统在整个 PC-Based 系统里，它包含着一个独一无二的图像采集卡，其主要体现在它的高性能这一方面，它可以采用连接一个或者多个摄像头，进行实物的图像数据采集，其作用是充当整个 PC-Based 系统的函数库，目前使用 PC-Based 系统的公司也比较多，其中常见的有 Data Translation 公司和 NI 公司，这两家公司都是美国公司，这也体现出提到的美国在机器视觉这一方面有比较突出的研究，其中 Data Translation 公司，该公司是在 Windows 的环境下采用 C 或者 C+进行图像编程，客户可以简单而且快速的对它进行使用。NI 公司则是注重研究开发虚拟仪器 LabVIEW 软件这一方面，而且他们是将机器视觉技术完美的应用在了工业控制这一部分。综上所述，我们可以看出，PC-Based 系统具有以下优点：成本低、灵活性高、开放性好，同时还具有良好的 Windows 界面。2.3 机器视觉的特点与应用机器视觉是利用利用计算机进行图像处理，最终进行图像识别，主要体现出了工业生产的人工智能化，就科学图像处理系统而言，机器视觉技术具有以下特点：机器视觉将人工智能、神经网络、图像处理、计算机图形学、模式识别等学科与工业生产紧密联系在一起，这就使机器视觉系统和科学图像处理分析系统相比，具有以下特点：（1）非接触性。这一特点我们在第一章概述中就可以看出，机器视觉它是通过摄像机进行采集图像的，然后将采集到的图像通过电信号输送给计算机进行数字化的处理，最后控制生产设备。（2）编程算法简单易懂。目前，视觉技术主要采用采用虚拟仪器 LabVIEW 软件编程，与传统的 C 或者 C+相比，它的程序算法没有 C 或者 C+那么复杂、冗长，程序块简单且易懂，用户可以自己在 LabVIEW 软件上直接编程操作。随着科技的迅速发展，机器智能已逐渐取代人体劳作，这更加推动了机器视觉软件编程算法向精简方面的发展。（3）广义性。科学图像处理系统是利用将图像分析与处理后，对客观世界进行科学的解释，而机器视觉技术是你通过摄像机采集图像，然后将采集到的图像通过电信号的方法传送给计算机，计算机对采集到的图像进行数字化的分析与处理后，最终执行相应的操作，与科学图像处理系统相比，机器视觉技术体现出来的意义更加广泛。（4）自动化程度高。机器视觉技术，换而言之，就是讲视觉赋予机器人， 从而代替人力劳作，这样我们就可以节省很多时间，金钱以及完成一些高危险或者我们人力不可能完成的事情。这也就体现了机器视觉技术高效性和高自动化程度。（5）高可靠性、高精度、高适应性、高效率和高速度。首先，机器视觉技术它与人眼视觉不同，它不像人眼会疲劳，需要休息，而机器视觉技术可以一天二十四小时不间断的工作，其次，人眼视觉由于长时间工作会受到周围环境的影响会出现判断误差，还有，人眼对于一些高危险的工作是无法进行操作的，这些都是人眼视觉与机器视觉技术无法相提并论的。因为机器视觉技术拥有以上众多优点，所以，机器视觉技术广泛的应用在社会生活的各个领域中，重要变现在一下几点：（1）工业方面的应用：主要包括产品检测、自动焊接、自动装配和生产流水线以及人类无法完成的高危险工作等。（2）交通、军事和公安方面的应用：在交通方面，机器视觉技术可以识别车辆、车牌号码、检测交通和分析事故等；在军事方面，机器视觉技术可以模拟军舰、坦克和飞机的训练，也可以巡航导弹的精确制导、架势无人飞机的飞行等； 在公安方面，机器视觉技术可以监控公共场所的安全及识别人脸、和指纹等。（3）虚拟现实的应用：机器视觉技术还可以模拟虚拟现实生活，主要包括模拟建模场景、模拟飞机驾驶员的训练、模拟战场环境、模拟医学手术等。通过对这几点的模拟，我们可以总结经验，避免在现实生活中出错。（4）医学方面的应用：机器视觉技术在医学领域中也有相当广泛的应用， 因为机器视觉技术可以替代医生对医学图像进行分析，主要应用包括：分析染色体的形态、分类细胞中的红细胞、白细胞以及对癌细胞的识别。（5）农业方面的应用：机器视觉技术对农产品的检测时，可以排除外界环境的干扰，对农产品的色泽、大小以及形状进行检测，除此之外，机器视觉技术还可以对这些农产品的特征进行定量描述，这一点人工检测是与之无法比拟的。2.4 机器视觉技术在应用中的问题目前，虽然机器视觉技术已经广泛的应用在社会生活的各个领域当中，但是在机器视觉技术上我们仍有不太完善的地方，这也极大的限制了机器视觉技术的应用领域，此外，我我们对于机器视觉技术的研究做的还不到位，想要简历一个与人眼视觉相比拟的机器视觉系统还是比较困难的。主要原因包括：（1）外界因素对图像的影响。在主观世界中，物体要受到空气、光源、物体本身的性质以及摄像机的角度等影响。（2）机器视觉技术虽然替代人眼视觉来做出判断，但它分许出来的结果和人类的判断存在这一定的误差，我们是没有办法对机器视觉技术阐述表明我们对事物的看法的，也无法对其进行指导。（3）采集到的图像不充分。这主要体现在我们采集的物体是主观世界中存在的，物体本身是三维景物，而在图像采集呈现出来的是二维图像，这就丧失了物体的深度信息。视觉技术深奥与复杂的机理让我深知，我们在研究和发展机器视觉还要有很长的路要走。2.5 基于机器视觉的产品检测系统机器视觉系统的工作方式：首先，机器视觉系统采用摄像机进行图像采集， 然后将采集到图像通过电信号的方式传输给计算机，计算机对采集到的图像进行处理和分析后输出结果，最后通过得到的结果控制设备动作。机器视觉技术广泛的应用于各个领域的主要原因如下：（1）CCD 等硬件部分的成本的降低，这从经济上支持了机器视觉技术的发展；近年来，图像处理技术也得到了大大的提高，这从技术上支持了机器视觉技术的发展；还有，目前社会生活中出现大量的高危险工作，这是人类自己无法完成的，这也是机器视觉技术迅速发展的前提所在。（2）无论是社会生活中大批量的生产制造，还是目前人类已经越来越重视生产过程的高度自动化和生产质量，这都使的拥有高精度、高速度、高效率和高可靠性的机器视觉技术在生产过程中的脱颖而出。3 虚拟仪器与 LabVIEW3.1 虚拟仪器简介3.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器是利用以计算机为载体来控制现实世界的自动化测量和控制的系统，常见的一种虚拟仪器结构如图 3.1 所示。图 3.1 典型的虚拟仪器结构首先，通过传感器对被测对象进行数据采集，将采集到的数据以物理量的形式转换电量传送给信号调理期，经过信号调理期的滤波、放大处理后，然后传送给数据采集卡，数据采集卡将这个电信号转换成数字信号发送至计算机，因为计算机只能够处理数字信号，最后，应用软件通过读取数据采集卡中的数字信号， 进行控制设备的动作。从虚拟仪器的架构中我们可以看出，虚拟仪器可以利用自己本身的硬件部分实现各类测试系统普遍适用的任务，而软件部分则是来实现不同测试系统的特别规定的任务，这就说明，在虚拟仪器中更换测试任务仅仅只是需要更换权健编程部分就可以实现，这就体现出了使用虚拟仪器的高性价比与多功能性。目前，虚拟仪器的开发平台有很多种，National Instruments，NI 公司（美国国家仪器）研发的实验室虚拟仪器工程平台 LabVIEW（Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench）是当前最流行的程序开发平台，LabVIEW 软件 ongoing 开发的每一个程序称为一个 VI（Virtual Instruments）1，利用LabVIEW 软件作为开发平台有一下优点：（1）程序开发效率高。这是因为 LabVIEW 可以直接以经典的信号处理函数和高级信号分析函数的图标形式展现给用户，使用者仅仅需要连线 实现产品的功能，这样使用者可以直观、形象、便于修改和移植的使用 LabVIEW 软件进行编程。（2）高效性。据统计，用户在使用 LabVIEW 作为开发虚拟仪器的平台时，要比基本语言作为虚拟仪器的开发平台效率要高的很多，大约是 1015 倍。（3）易集成。LabVIEW 程序不但能够与工业现场总线通信，而且还可以与标准的数据库进行连接，与此同时，LabVIEW 程序与数据采集硬件的集成是非常容易的。（4）强功能性。LabVIEW 软件在信号处理这一方面拥有强大的功能，这一点，组态软件是与虚拟仪器无法相比的。3.1.2 虚拟仪器的结构目前，虚拟仪器的形式有很多种，们在日常生活中经常见到的有以下几种：（1） PXI 总线PCI eXtensions for Instrumentation 总线结构，简称 PCI 总线，它通过扩展才得到现在的 PXI 总线结构，在 PXI 总线虚拟仪器结构中，它的机箱上有很多个槽，在这些槽中，可以插入各类数据采集模块，如图 3.2 所示。（2） CRIO 系统结构3.2 PXI 总线结构CRIO 是 Compact Reconfigurable Input/Output 的简称，它是有美国 NI 公司研发的一种小巧化、新型化的采集系统，CRIOI 系统具有可靠性、实时性。如图 3.3 所示，在 CRIO 机箱中，包含了 FPGA 芯片、信号调理模块、实时控制器以及信号输入/输出模块。在 CRIO 系统程序开发完成后既可以与专门的硬件电路通信，还可以脱离计算机独立运行，这也是 NI 公司长期霸占工业市场的主要原因。（1） USB 总线结构图 3.3 CRIO 结构USB 总线结构是利用 USB 接口向计算机进行数据传输的，美国的 NI 公司也研发出专门的 Compact DAQ 系统，如图 3.4 所示，该系统是通过 USB 总线进行计算机与机箱内的数据采集模块、信号调理模块进行通信。图 3.4 Compact DAQ 结构（2） GPIB 或串口设备结构GPIB 或串口形式的虚拟仪器结构，不仅可以发挥传统虚拟仪器的优点，而且可以该高效的利用现有的技术资源，通用接口总线 GPIB 是传统仪器和计算机的接口，PC 通过 GPIB-USB 控制器（外部）、GPIB 通信卡（内部）、GPIB 电缆， 进行对传统仪器的访问，如图 3.5 所示。19（5）分布式系统结构图 3.5 GPIB 结构分布式系统结构是利用计算机串口与计算机进行直接通信，美国 NI 公司对这种系统有研发成果，常见的有 Filed Point 模块和 Compact Filed Point 模块， 其中 Compact Filed Point 模块具有良好的抗震性、抗冲击性且尺寸较小。Filed Point 模块如图 3.6 所示。图 3.6 Filed Point 模块3.1.3 虚拟仪器的特点虚拟仪器是通过高效灵活的软件以及高性能模块化的硬件来实现控制设备动作1，高性能的模块化硬件可以提供定时、同步等软/硬件平台的应用需求， 而高效灵活的软件可以自定义的创建用户界面。虚拟仪器是计算机技术与仪器及数深层次结合的产物，虚拟仪器的出现，打破了传统仪器的概念，是仪器领域内的一次重大革命，虚拟仪器是继智能化仪器之后的新一代仪器，虚拟仪器的出现，代表了当前测试仪器发展的方向，虚拟仪器的发展进程如图 3.7 所示。图 3.7 虚拟仪器的发展进程虚拟仪器的出现，打破了制造商定义的传统仪器，用户可以根据自己的设计需求，充分发挥自己的才华和想象空间，设计出自己需要的仪器。在虚拟仪器系统中，软件是整个系统的核心部分，硬件仅仅只是起到了辅助作用，硬件部分只是实现了信号的输入与输出，用户在改变设计需求时，只需要修改软件部分，即LabVIEW 的软件编程，就可以实现整个系统的各个功能。虚拟仪器与传统仪器的比较如表 3.1 所示。表 3.1 虚拟仪器与传统仪器的比较比较内容虚拟仪器传统仪器可塑造性用户定义仪器功能，柔性厂商定义仪器功能，刚性连接可方便的与网络外设连接与其他仪器设备的连接有限开发费用软件使得开发和维护费降至最低开发维护费用高技术更新周期短（1 年2 年）长（5 年10 年）系统构成软件和硬件通用，软件是关键专用硬件系统性价比价格较低价格较高系统开放性开放、灵活与计算机同步发展封闭、固定编程与开发自己编程硬件，二次开发强无法自己编程硬件，二次开发差显示选项无限的显示选项有限的显示选项人机交互无限的显示选项，界面友好有限的显示选项根据表 3.1 我们可以看出，与传统仪器相比，虚拟仪器拥有巨大的优越性， 同时虚拟仪器要比传统仪器显得更加灵活，用户可以自己利用软件、硬件以及计算机来实现整个系统的搭建，目前，随着产品的多样化与复杂化，虚拟仪器体现出来的高效率、高可靠性、高精度、高速度以及高时效性等优点，最终成为了人类的选择。3.2 虚拟仪器的构建技术在生产领域中，我们都知道，主要包括以下几部分，采集数据、控制设备和监控过程，这几部分是必不可少的，当然，虚拟仪器也同样如此，它的组成主要包括调理与采集信号、数据的分析与处理和输出结果与显示。虚拟仪器的构成如图 3.8 所示。图 3.8 虚拟仪器的构成3.3 机器视觉与虚拟仪器结合的必然性首先，随着科技与经济的发展，当前机器视觉系统的价格与过去的昂贵相比已经不复存在，这使得很多用户都可以接受高性价比的机器视觉系统。其次，随着计算机技术的发展，PCI 总线的宽带传输速率也大大提高，从以前的 ISA 总线的宽带传输速率 35Mb/s 发展到了如今的 PCI 总线宽带传输速率95132Mb/s，除此之外，PCI 总线还可以与设备进行主模式的方式直接连接， 这样系统就可以留出大量的时间为 CPU 处理其他工作，机器视觉系统的速度也会因此而得到大大的提高。再者，人类对于 Windows 的操作系统与机器视觉系统的深度研发，这使得机器视觉系统的开发更加可靠、快速。与此同时，在近几年，Windows 平台对于机器视觉的软件研发也逐步完善，主要体现在算法的集成化，这就使得开发者在研究算法上节省了大量的时间，大大降低了整个系统的开发周期，同时，系统的整体价格也得到了降低。综上所述，将虚拟仪器与机器视觉结合起来研发的检测系统，不仅仅使得两者技术得到了充分的发挥，还大大缩短了开发周期，同时，还是得整个系统的性价比、可靠性和灵活性大大提高。3.4 基于虚拟仪器的机器视觉系统基于虚拟仪器的机器视觉系统，与传统的基于硬件来实现的机器视觉系统相比，传统的基于硬件来实现的机器视觉系统开发成本高、开发周期长，这主要体现在传统的基于硬件来实现的机器视觉系统它的硬件部分费用较高，以及传统的基于硬件来实现的机器视觉系统它主要采用的编程语言是汇编语言，这就导致它的开发难度大，而基于虚拟仪器的机器视觉系统，它不但结合了虚拟仪器和机器视觉的强大功能和低廉成本的特点，而且还缩短了整个系统的开发周期。此外， 基于虚拟仪器的机器视觉系统以自己本身的高可靠性、高灵活性和高性价比在整个市场上脱颖而出。3.5 基于虚拟仪器的机器视觉检测系统的组成常见的基于虚拟仪器的机器视觉检测系统的组成部分包括：光源、摄像头、传感器、图像采集卡、计算机（核心）如图 3.9 所示。图 3.9 基于虚拟仪器的机器视觉检测系统结构示意图（1）光源。在摄像头对物体进行图像采集时，光照起到了至关重要的作用， 因为光照可以直接影响图像的质量，常见的产生光源的器件是 LED 灯。（2）摄像头。摄像头是对物体进行图像采集的器件，这就对摄像头的选取这一部分有了严格的要求。（3）计算机平台。电脑是整个视觉系统的核心，计算机通过 CPU 实现处理图像数据以及控制设备动作，计算机完成了大部分操作，因此，我们说计算机是整个视觉系统的核心。（4）图像采集卡。图像采集卡的作用是将摄像头采集到的图像传输至计算机，她的传输方式主要有 PCI 总线模式和 Compact PCI 总线模式。3.6 LabVIEW 编程软件及其应用LabVIEW 不同于传统的编程语言，传统的编程语言（Java、C、C+）采用文本的方式进行编程，而 LabVIEW 软件编程类似于 MATLAB，他们都是采用图形符号进行编写程序。LabVIEW 编程软件不仅可以应用在 Mac、Windows、Linux 系统的计 PC 上，而且还可以运行在嵌入式的平台上，主要包括包括微处理器、DSP(DigitalSignalProcessor)和 FPGA(FieldProgrAmmableGateArray)。3.7 LabVIEW 的工作原理LabVIEW 的程序由一个或多个 VI 构成，其中，每一个 VI 都由以下三个组件构成：前面板、图标、框图。前面板的 VI 的人交互界面，前面板主要包含按钮、图形和旋钮，作为输入与输出。图标表示 VI 的图形，用户可以直接作为图形使用。框图是用户编写的程序，有程序执行控制结构、内置函数、常量、低级VI。用户只需要将对象连线就可以进行数据交流，框图上的终端对应的是前面板， 数据通过用户传送给程序，最后由程序传送给用户。在 LabVIEW 调用程序时，首先，将一个程序分成一些的子程序，其次，利用每一个 VI 来完成子程序，最后， 将每一个 VI 进行连接，主要体现出了模块化的编程，每个子 VI 都可以进行单独调用，使用这种体系结构，提升了 LabVIEW 的模块化编程，除此之外，每一个VI 执行的任务是很多程序通用的，这样就保证了每一个程序的单独调用。3.8 LabVIEW 的特点LabVIEW 作为图形化编程语言的开发软件，以简洁、自然、直观的形式呈现给用户，用户只需要将定义好的 VI 模块拖哦程序框图里，就可以实现整体的设计，这样不仅仅节省了用户的程序设计见，还大大的提高了生产效率。LabVIEW 的主要特点：（1）图形化的仪器编程环境；（2）支持 TCP/IP、DDE 的功能；（3）可以直接调用其他平台的模块；（4）内置有程序编译器，提高了运行速度；（5）提供 VXI、GPIB、串口及数据采集板的驱动程序；（6）支持多种系统的研发，可以直接进行程序的移植；（7）灵活的程序调试手段，可以在源代码中灵活的调用程序。4 控制系统的总体设计4.1 设计思路系统设计框图如图 4.1 所示：图 4.1 系统设计框图本系统主要由图像处理模块、信号处理模块、上位机监控模块、图像采集模块、检测模块组成，其中检测模块为一个光电传感器，用于检测零件是否到达指定的位置。信号处理模块为 STC89C51 型号的单片机，通过串口通信将信号传送到上位机监控界面上。图像采集、处理模块为一个 CCD 工业摄像机和图像采集卡， 可以采集到质量很好的图像、具有良好的抗噪能力。监控模块为 LabView 软件编写的监控界面。4.2 工艺流程待检测零件运动及检测过程如图 4.2、图 4.3、图 4.4 所示：图 4.2 流程图（待检测零件未到达光源位置时）图 4.3 流程图（待检测零件到达光源位置时）图 4.4 流程图（待检测零件到达相机位置时）光电开关与相机和光源保持静止，首先，将待检测零件放在传送带上，当光电开关检测到待检测零件时，光电开关将信号传到单片机，通过串口通讯，单片机将零件过来的信号传到上位机内，上位机准备就绪。同时，单片机发出电平信号到连接相机的继电器内，使相机和光源打开，完成图像采集，采集到的图像经过图像采集卡，再传送到单片机内，通过与上位机内的数据库进行模式匹配，来判断该零件的尺寸，大小，螺纹，表面缺陷性等是否符合要求。整个系统具有连贯性，可连续工作。5 硬件系统设计5.1 总体设计结构图当光电开关检测到传送带上的零件时，相机工作对图片进行采集，经过STC89C51 对图片进行传送给 PC 上位机进行零件识别比对，总体设计结构图如图5.1 所示：图 5.1 总体设计结构图5.2 硬件选取（1）光源：选取红光十字线激光笔，如图 5.2 所示：图 5.2 光源（2）工业相机：选用带支架便于调节高度 CCD 摄像机，工业相机与支架如图 5.3、5.4 所示：图 5.3 工业相机图 5.4 工业相机支架（3）数据采集卡：数据采集卡选用 SDK878A 型号，SDK878A 数据采集卡原理框图如图 5.5 所示：图 5.5 SDK878A 数据采集卡原理框图5.3 图像采集装置结构图当传送带上的待检测的零件经过相机时，相机对其进行图片采集，采集理结构图如图 5.6 所示：29图 5.6 采集模块结构图待测零件由传送带从左向右传送，当到达光电开关处，光电开关检测到零件后，将发送一个脉冲信号给单片机，单片机再通过 RS232 串口通信将信号发至上位机。同时再将信号传送给连接相机的继电器，使相机打开工作。5.4 检测模块电路原理设计图 5.7 检测模块电路原理设计图检测模块电路原理设计图如图 5.7 所示，该电路工作原理：当模块受遮挡距离小于设定值时，数字开关量输出指示灯点亮，D0 输出低电平，表示光电传感器检测到待检测物到达指定位置；当模块在遮挡距离大于设定值时，数字开关量输出指示灯 D2 不亮，D0 输出高电平；检测模块电路实物图如图 5.8 所示：图 5.8 检测模块电路实物图光电传感器的工作原理：将光强度转变成电信号输出。光电传感器有三部分组成：接收器、检测电路、发射器。发射器主要是提供光束，常见的发射器主要是发光二极管（LED 灯）；接收器有光电池、光电二极管、光电三极管组成；检测电路的作用是滤波。5.5 信号转换与处理电路原理设计（1）ST89C51 模块图 5.9 ST89C51 模块设计图ST89C51 模块设计图 5.9 所示，该电路工作原理：单片机 P1.1 接受来自光电传感器的信号，P3.0 再通过 RS232 串口通信将信号传送给上位机；P2.7 口将信号传送给驱动相机的电路。本模块选用的信号处理器型号为 ST98C51 单片机，其优点是：它的对象处理是位，而不是字或者字节，它的处理器是一套从内部硬件至软件有完整的操作系统。它不仅仅能进行位的逻辑运算，而且还能够处理特殊功能的寄存器的位，功能齐全。此外，51 系列在片内开辟了 RAM 区间双重功能，不但可以处理节，还恶意对位进行处理。5.6 串口通信模块设计图 5.10 串口通信模块设计图串口通信模块设计图如图 5.10 所示，该电路工作原理：单片机接收到 PC 机数据信息后，进行查找协议，完成相应的操作。当单片机接收到的数据信息为0xA1 时，单片机读取 P0 端口的数据，并返回给 PC 机；当单片机接收到数据信息为的 0xA2 时，单片机从 PC 机接收一段控制数据；当 PC 机接收到的数据信息为 0xA3 时，单片机操作成功。本模块选用的负载型号为 RS232 串口模块。通信协议是通信设备在通信前的约定。约定如下：0xA1：单片机读取 P0 端口数据，并将返回 PC 给机；0xA2：单片机从 PC 机接收一段控制数据；0xA3：单片机操作成功。5.7 USB 接口模块图 5.11 USB 接口模块USB(通用串行总线)，是连接计算机与外设的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，支持即插即用及热插拔功能；USB 的设计是非对称的， 它的才部分包括：主机控制器和集线器设备；最多可以控制 5 级集线器，包括Hub 在内最多可以连接 128 个设备，因为在设计时采用 7 位寻址字段,USB 接口模块图如图 5.11 所示。图 5.12 AD 转换模块ADC0809 由一个 A/D 转换器、一个 8 路模拟开关、一个三态输出锁存器和一个地址锁存与译码器组成。当 OE 端口输出为高电平时，三态输出锁器对 A/D 转换器的数据进行锁存，而 A/D 转换器是将 8 路模拟开关的输入信号进行转换，AD 转换模块如图 5.12 所示。ADC0809 对 8 路模拟开关输入是有要求的，电压范围是 05V，输入信号为单极性。图 5.13 DA 转换模块DAC0832 的两级输入寄存器，使 DAC0832 芯片有三种输入方式：直通、单缓冲、双缓冲，从而适合多路 D/A 的同步转换、异步输入等需求，它的采样频率为八位的 D/A 转换芯片，DA 转换模块图如图 5.13 所示。图 5.14 ICL 模块ICL7660 是 Maxim 公司生产的小功率极性反转电源转换器。ICL 模块如图5.14 所示，ICL7660 的输入电压范围为 1.510V，静态电流值为 170A，工作频率为 10kHz，仅仅需要外接 10F 的小体积电容，效率高达 98，符合输出100mA 的要求。6 软件系统设计6.1 系统程序流程图系统程序流程图如图 6.1 所示：图 6.1 系统程序流程图6.2 LABVIEW 设计图系统软件是通过 LabVIEW 进行编写程序,主程序的流程为当零件到达检测位置时,控制器向主计算机发出信号,计算机进行图像采集、特征边缘提取、计算参数后，显示最终结果。程序编制步骤（主要是用 LabView 软件实现图像的处理以及模式匹配与识别）：该系统先通过位于工作台上方的相机来采集零件的图像，相机通过数据线和图像采集卡将图像数据传给上位机，上位机通过 LabVIEW 的 vison 模块对采集到的图像进行预处理、特征提取并与计算机中的模板相匹配，最终判断零件是否符合要求。6.2.1 前面板设计图 6.2 LABVIEW 前面板设计图前面板包含相机选项、图像显示界面、匹配结果文本框，LABVIEW 前面板设计图如图 6.2 所示（为了简便起见，本文用证件照代替工业零件进行检测）。6.2.2 检测结果（1）当检测的零件与数据库里的零件相匹配时，如图 6.3 所示，则在合格工件数里显示加 1。图 6.3 检测合格示意图（2）如果检测零件与数据库不匹配，如图 6.4 所示，则在不合格工件数栏里显示加 1。图 6.4 检测不合格示意图6.2.3 后面板设计（1）图像采集模块该模块主要运用 NI 的 VDM 模块进行图像采集，并放置于 while 循环中，当按下程序执行按钮时，则执行图像采集过程，并在前面板中示如图 6.5 所示：图 6.5 LABVIEW 后面板设计图当图像采集完成之后，就要对图像进行处理和匹配，预存的图片路径保存在程序框图中 IMAQ ReadFile 模块中，当采集到的零件图像与预存的图像能匹配成功时，则跳出 while 循环，并且在前面板中显示匹配成功，反之亦然。图 6.6 LabVIEW 视觉包IMAQ Vision 的函数分为四个部分：机器视觉、图像信息采集、处理、分析， 如图 6.6 所示。（2）配置和采集图像模板图 6.7 调用相机模块调用相机模块如图 6.7 所示，从图中可以看出，主要用到了下边三个模块： IMAQdx Grab、IMAQdx Configure Grab、IMAQdx Open Camera。其中 IMAQdx OpenCamera 模块主要提供了调用相机的功能。37IMAQdx Configure Grab 的功能主要是采集图像，如图 6.8 所示。图 6.8 图像采集模板IMAQdx Grab 的主要功能是配置图像，如图 6.9 所示。图 6.9 图像配置模块通过该视觉处理模块，能很好的达到检测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，将反映零件纹理的数据与数据库中数据作比较，并与数据库中的预存的图像进行匹配，由此判断零件的质量如图 6.10 所示。图 6.10 图像匹配模块7 结束语本文通过对机器视觉技术和虚拟仪器技术分析与研究，完成了硬件部分与廉部分的设计，最终实现了工业零件的检测系统设计。本论文主要的研究成果如下：（1）以典型的机器视觉结构作为基础，搭建与系统相符的硬件平台；（2）采用 LabVIEW 编程软件为开发平台，不仅提高了整个系统的灵活性、高精度和扩展性，而且缩短了整个他的开发周期，从而弥补了传统视觉系统的缺陷；（3）利用 IMAQVision/VisionAssistant 图像处理模块，使系统的软件结构清晰，易于维护与扩充。（4）选择了合理的图像处理方法与过程，编写设计所需的算法。但是，由于本论文的研究内容与技术较多，所以在设计中仍有一些不完善的地方，主要体现在以下几点：（1）机器视觉、运动控制和网络通讯等先进技术的结合。（2）多传感器测量技术的应用。（3）图像处理和各类图像分割算法的进一步研究。对于以上三点的研究有待完善。参考文献1 肖成勇，雷振山，魏丽.LabVIEW 2010 基础教程M.北京.中国铁道出版社 2012.2 解璞，李瑞.LabVIEW 2014 基础实例教程M.人民邮电出版社.20163 贾云得.机器视觉M.北京:科学出版社.2000:1-1034 吕金隆. 基于 LabVIEW 的机器视觉伺服系统开发平台的研究D.青岛大学,2017.5 刘贝. 基于机器视觉石材砖几何尺寸在线检测系统的研究D.山东大学,2017.6 袁紫薇. 基于机器视觉的番茄收割机实时分拣系统研究D. 长安大学,2017.7 宫二栋,丁蕴丰.基于 labVIEW 的机器视觉检测系统的研究J.长春理工大学学报(自然科学版),2017,40(02):75-77+81.8 谢勇,彭涛.机器视觉及其在现代包装行业中的应用J.株洲工学院学报,2002(04):1-4.9 曹文龙. 基于 LabVIEW 的煤泥浮选泡沫图像处理系统研究D.中国矿业大学,2016.10 张 琦 . 机 器 视 觉 系 统 的 原 理 及 现 状 J. 电 子 工 业 专 用 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