摘 要：隨著圖像處理軟件、硬件的發(fā)展，圖像處理技術(shù)越來越現(xiàn)實的被應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場中。 本文充分利用嵌入式工業(yè)計算機PC104優(yōu)化、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的特點，與圖像處理技術(shù)結(jié)合，把工業(yè)現(xiàn)場攝取的檢測圖像進行數(shù)字處理，得到所需監(jiān)測目標(biāo)的圖像特征值，根據(jù)結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成工業(yè)自動控制過程。文章從硬件構(gòu)成和軟件實現(xiàn)探討了基于PC104實時工業(yè)圖像檢測的可實施性。 關(guān)鍵詞：PC104; 圖象處理; 串口液晶 引言 　　把圖像應(yīng)用到工業(yè)中時很有實用價值的，攝取圖像通常不帶破壞性，是安全的。它又是一件不費力的事，且成本也不昂貴。計算機與圖像處理的結(jié)合也在快速發(fā)展中，從20世紀(jì)60年代起，人們就想利用計算機視覺的原理構(gòu)造出有用的計算機系統(tǒng)，受多方面因素的影響，很難實現(xiàn)。隨著科技發(fā)展，計算機和圖像系統(tǒng)的價格已經(jīng)很便宜，意味著研究工作有一定可行性。 　　在現(xiàn)代化的大生產(chǎn)之中，視覺檢測往往是不可缺少的環(huán)節(jié)。比如，汽車零件的外觀，藥品包裝的正誤，IC字符印刷的質(zhì)量，電路板焊接的好壞，等等，都需要眾多的檢測工人，通過肉眼或結(jié)合顯微鏡進行觀測檢驗。大量的檢測人工不僅影響工廠效率，而且?guī)聿豢煽康囊蛩兀苯佑绊懏a(chǎn)品質(zhì)量與成本。另外，許多檢測的工序不僅僅要求外觀的檢測，同時需要準(zhǔn)確獲取檢測數(shù)據(jù)，比如零件的寬度，圓孔的直徑，以及基準(zhǔn)點的坐標(biāo)等等，這些工作則是很難靠人眼快速完成。 　　與此同時,與PC兼容的單板機也在硬件杠桿即與PC芯片兼容可降低成本，獲得更簡單和更容易的系統(tǒng)支持;和軟件杠桿為可充分利用PC操作系統(tǒng)、語言、工具軟件的作用下得到了進一步的發(fā)展。PC104與普通PC總線控制系統(tǒng)的主要不同是： 　　1、小尺寸結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)模塊的機械尺寸是3.6X3.8英寸，即96X90mm 　　2、堆棧式連接：總線以“針”和“孔”形式層疊連接，PC104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的接線孔相互咬和相連，這種層疊封裝有極好的抗震性。 　　3、輕松總線驅(qū)動：減少元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，，每個模塊1-2瓦能耗。 1 系統(tǒng)構(gòu)成 　　1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 　　系統(tǒng)以嵌入式工業(yè)計算機PC/104為核心，以紅外接近開關(guān)檢測是否有工件進入檢測范圍，當(dāng)有待測工件進入測量范圍，啟動USB接口攝像機攝取檢測圖像并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過軟件處理后把相應(yīng)的處理結(jié)果加以記錄并通過液晶顯示出來，當(dāng)遇到不符條件的工件時控制過程開關(guān)檢出此工件。系統(tǒng)框圖參見圖1。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)框圖[/align] 　　1.2 系統(tǒng)硬件說明 　　工業(yè)流水線上的工件經(jīng)過機械位置調(diào)整后，當(dāng)工件觸發(fā)紅外接近開關(guān)，USB接口攝像機的捕獲工件圖像，作為數(shù)字信號進入計算機，并對其作進一步圖像處理運算。得到所需監(jiān)測目標(biāo)的圖像特征值，根據(jù)結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成工業(yè)自動控制過程。處理結(jié)果可以通過串口液晶模塊顯示，還可以存儲在通過CF卡接口擴展的大容量存儲單元中并由RJ45以太網(wǎng)接口傳給上位機。 　　嵌入式工業(yè)計算機PC/104：嵌入式工業(yè)計算機采用ST公司的嵌入式CPU STPC Atlas，它是一款增強型486 DX/DX2 CPU。 當(dāng)工作在DX2模式下的工作頻率可達133MHz。Atlas 內(nèi)部集成了一個2D圖形控制器和一個內(nèi)存控制器，可以直接擴展LCD/CRT 接口及100MHz的SDRAM，最大容量可以支持到64Mbytes。 板上還集成10/100Mbps網(wǎng)絡(luò)接口、DOC接口、EIDE、二個USB、通用串口、并口及PC/104接口。是高性價比，結(jié)構(gòu)緊湊的嵌入式控制模塊。 　　5V穩(wěn)壓源：供電系統(tǒng)采用5V電源為整個系統(tǒng)供電，可使用交流220V經(jīng)變壓器后，由7805等三端穩(wěn)壓器件輸出;3.3V鋰電池為RTC供電，保持日歷時鐘。 　　CF卡接口：用于大容量存儲數(shù)據(jù)和交換數(shù)據(jù)。 　　串口液晶模塊：PC104有3線，9線串口，可接MAX211、MAX232、MAX485等電平轉(zhuǎn)換芯片，用以串口通訊。擴展的串口通訊液晶，通過RS232串口可以顯示字符，圖形，曲線等。內(nèi)含12＊12，16＊16，24＊24點陣含字庫，通訊速率可選：1200/2400/9600/19200/38400/57600/115200 bps可軟件設(shè)置，默認速率為9600，通過跳線完成。自帶flash可存儲100多幅頁面或畫面。 　　以太網(wǎng)接口：安裝RJ45接口，2個LED顯示其狀態(tài)。 　　PS/2調(diào)試鍵盤擴充標(biāo)準(zhǔn)AT-PS2鍵盤：通過轉(zhuǎn)換線接PS/2工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，價格低廉且通用。采用雙向同步串行協(xié)議，與BIOS緊密結(jié)合，在編程上實現(xiàn)BIOS級的兼容，可直接使用各種C庫函數(shù)。運行PS2KEY.EXE執(zhí)行鍵盤駐留程序。由于鍵盤在系統(tǒng)中僅調(diào)試時使用，所以不采用常見的矩陣鍵盤，省去了鍵盤部分的外接電路。 　　USB接口攝像機：系統(tǒng)檢測生產(chǎn)線上的產(chǎn)品，決定產(chǎn)品是否符合質(zhì)量要求，并根據(jù)結(jié)果，產(chǎn)生相應(yīng)的信號輸入上位機。系統(tǒng)中圖像獲取設(shè)備包括光源、USB接口攝像機等。對于與PC104不兼容的USB接口攝像機驅(qū)動，需要編寫對應(yīng)的DLL文件。 　　紅外接近開關(guān)：利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測。紅外接近開關(guān),IR發(fā)射管一旦被驅(qū)動，它便發(fā)出IR信號， 接收頭收到這個信號并輸出低電平。因為工業(yè)現(xiàn)場干擾較雜，采用對射式光電開關(guān)，同時讓IR LED發(fā)送一定寬度的脈沖信號，在發(fā)送端和接收端連接一個判別電路如果發(fā)/收的信號一致，就認為沒有物體接近，否則就有。對射式光電開關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。對于不透明的檢測物體，采用對射式光電開關(guān)保證檢測的可靠性。 2 系統(tǒng)流程 　　2.1 控制流程 　　通過USB接口攝像機形成機器視覺，完成對圖像的獲取，在PC104中對數(shù)字圖像處理分析并顯示輸出結(jié)果。 　　將近80%的工業(yè)視覺系統(tǒng)主要用在檢測方面，包括用于提高生產(chǎn)效率、控制生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量、采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。產(chǎn)品的分類和選擇也集成于檢測功能中。基于PC104的實時工業(yè)圖像檢測控制流程參見圖2。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)控制流程圖[/align] 　　通過PS/2調(diào)試鍵盤，把初始化參數(shù)輸入工業(yè)計算機，并進行軟件調(diào)試。也可以擴展特制工業(yè)鍵盤，方便調(diào)試和工業(yè)操作。相應(yīng)鍵盤軟件流程參見下一節(jié)。當(dāng)機械傳送帶送待測工件至攝像機視野后，紅外接近開關(guān)在工件到達攝像機視野正中時給出觸發(fā)信號，攝像機獲取工件圖像，并把數(shù)字圖像送至PC104，由圖像處理軟件計算所需要的圖像特征值。與工件標(biāo)準(zhǔn)相比較，根據(jù)結(jié)果顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)圖像并發(fā)出指令。 　　2.2 相關(guān)軟件流程 　　圖像處理軟件流程：獲取圖像由于受工業(yè)現(xiàn)場脈沖干擾，圖像在捕獲和傳輸過程中產(chǎn)生椒鹽脈沖等噪聲，必須經(jīng)過濾波處理。對圖像開運算除去比結(jié)構(gòu)元素更小的明亮細節(jié)，再利用閉運算去除比結(jié)構(gòu)元素更小的暗色細節(jié)，開運算、閉運算用來平滑圖像同時去除噪聲，流程圖參見圖3。 [align=center] 圖3 圖像處理流程[/align] 　　若擴展特制鍵盤，其鍵盤軟件參考程序如下，鍵盤例程： 　　#include <＊.h> //包括所需頭文件 　　Int main（int argc, char ＊ argv[]） 　　｛ 　　 Int keyval; 　　 . 　　 . // 初始化 　　 While （1） 　　 ｛ 　　 keyval= getch（）; //獲取鍵入字符 　　 switch （keyval） 　　 ｛ 　　 case ‘1’: //若按鍵1按下 　　 user_fun1（）; // 用戶程序 　　 break; 　　 . 　　 . // 其他鍵值 　　 default: 　　 ; 　　 ｝ 　　 ｝ 　　 return 0; 　　｝ 3 系統(tǒng)仿真 　　運用計算機硬件與軟件技術(shù)對圖像數(shù)字信號進行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像特征值，再根據(jù)其結(jié)果顯示圖象，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出指令，配合執(zhí)行機構(gòu)完成位置調(diào)整，好壞篩選，數(shù)據(jù)統(tǒng)計等自動化流程。與人工視覺相比較，機器視覺的最大優(yōu)點是精確，快速，可靠，以及數(shù)字化等優(yōu)點。 　　圖4說明系統(tǒng)對模擬工件的處理過程，確定模擬工件圓柱直徑： [align=center] 圖4 模擬工件處理過程[/align] 　　模擬工件在傳送中觸發(fā)紅外接近開關(guān)，USB接口攝像機捕獲工件圖像a，由于工業(yè)現(xiàn)場干擾較多，圖像在經(jīng)過濾波b，以及開、閉運算平滑處理后c，為計算工件的圓柱直徑，把圖像二值，骨骼化并進行重構(gòu)處理，獲得直徑參數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)工件參數(shù)比較，若誤差超出允許范圍，給出信號，并把相關(guān)數(shù)據(jù)記錄或上傳給上位機。 4 結(jié)束語 　　自從1987年產(chǎn)生第一塊PC104，對PC104感興趣的人越來越多，本文探討了PC104對工業(yè)圖像的實時檢測。圖像處理設(shè)備包括相應(yīng)的軟件和硬件系統(tǒng);輸出設(shè)備是與制造過程相連的有關(guān)系統(tǒng)，包括過程控制器和報警裝置等。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后，對所得的圖像特征值進行分析，并完成對生產(chǎn)線的產(chǎn)品控制，若發(fā)現(xiàn)不合格品，則報警器告警，并將其排除出生產(chǎn)線，本系統(tǒng)具有實際應(yīng)用價值。 參考文獻： 　　[1] Gonzalez, R.C. and Woods, R.E. Digital Image Processing, 2nd ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ. 2002. 　　[2] 李介谷. 計算機視覺的理論和實踐. 第二版. 上海：上海交通大學(xué)出版社, 1998. 　　[3] 章毓晉. 圖像工程. 北京：清華大學(xué)出版社. 2000. 　　[4] Eurotech，Digital-logic 等公司產(chǎn)品技術(shù)說明書 　　[5] 李為民. 單片機圖像采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸. 微計算機信息 2005年第11-2期