基于DSP核心的指針式儀表自動(dòng)檢定裝置

王永東

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

0 引言

由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指示明顯，價(jià)格低廉，指針式儀表目前仍是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用非常普遍的測(cè)量?jī)x表之一，不僅數(shù)量大，而且種類多，如萬用表、汽車儀表、壓力表等等。這些儀表在出廠前，需要對(duì)精度進(jìn)行檢定，同時(shí)儀表在使用過程中也會(huì)產(chǎn)生誤差，也需要進(jìn)行定期檢驗(yàn)，以判斷是否滿足精度要求。采用人工觀測(cè)讀數(shù)的方法對(duì)指針式儀表進(jìn)行檢定，由于受人的觀測(cè)角度、觀測(cè)距離、眼睛在大量視覺工作之后會(huì)出現(xiàn)視覺疲勞等影響，檢定結(jié)果不穩(wěn)定、可靠性不高，檢定效率較低。因此實(shí)現(xiàn)對(duì)指針式儀表的自動(dòng)檢定，提高檢定效率和精度，就成為一個(gè)具有實(shí)際意義的問題。

1 指針式儀表自動(dòng)檢定裝置整體設(shè)計(jì)方案

本文以常見的扇形表盤的模擬指針式電壓表為例，檢定時(shí)主要以儀表指針指向主要刻度點(diǎn)時(shí)的誤差情況，作為對(duì)儀表整體性能的評(píng)價(jià)。

根據(jù)具體要求和性能價(jià)格比的不同，指針式儀表自動(dòng)檢定裝置可以采用不同的圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理和識(shí)別。本文研究一種基于機(jī)器視覺的指針式儀表自動(dòng)檢定裝置，將DSP 作為檢定系統(tǒng)的核心，通過圖像處理方法分別獲取各個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)下儀表指針的位置，從而反映儀表的示值讀數(shù)，最后獲取儀表的誤差。針對(duì)本文研究的模擬指針式電壓表，選取與之相配的硬件，設(shè)計(jì)檢定系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分，系統(tǒng)框圖見圖1。

（1）被測(cè)儀表固定單元： 將指針式儀表固定在特定的位置上，使裝置對(duì)它讀數(shù)獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源。

（2）指針式表盤成像單元： 選取合適的鏡頭。

（3）指針式表盤圖像信號(hào)采集單元： 通過圖像傳感器（CCD 或CMOS）采集圖像。

（4）指針式儀表指針位置與示值識(shí)別單元：選擇已發(fā)展功能強(qiáng)大，處理速度快的DSP 芯片為核心的圖像處理系統(tǒng)對(duì)采集的圖像經(jīng)識(shí)別和處理。針對(duì)研究目標(biāo)的特殊性，經(jīng)過計(jì)算目標(biāo)要求的指標(biāo)來選擇合適大小的DSP 芯片。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System structure frame figure

（5）基準(zhǔn)信號(hào)輸出單元：從DSP 出來的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換裝置將信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的識(shí)別量的電壓值（模擬信號(hào)）用來做為標(biāo)準(zhǔn)源到待測(cè)表中[1]。

2 指針式儀表自動(dòng)檢定裝置工作流程

檢定時(shí)以量程為5V 的電壓表為例，表盤中有50 個(gè)小格，每個(gè)最小格代表0.1V，有6 個(gè)主要刻度（0，1，2，3，4，5）。首先由基準(zhǔn)信號(hào)輸出單元輸出一系列基準(zhǔn)信號(hào)給待檢定儀表，然后表盤圖像信號(hào)采集單元通過攝像機(jī)將表盤指針偏轉(zhuǎn)狀況轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像并保存，再通過圖像處理方法在儀表位置與示值識(shí)別單元識(shí)別出基準(zhǔn)信號(hào)下儀表指針的位置，從而反映儀表的示值讀數(shù)，經(jīng)計(jì)算最后獲取儀表的誤差，進(jìn)而判斷儀表是否合格。系統(tǒng)流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 System work flow chart

3 工作原理

本裝置的核心是能否達(dá)到預(yù)定的準(zhǔn)確度指標(biāo)，這就要求裝置的每一部分在選擇和匹配上要達(dá)到協(xié)調(diào)和最優(yōu)工作。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB776-76 《電氣測(cè)量指示儀表通用技術(shù)條例》的規(guī)定，準(zhǔn)確度分為7 級(jí)，即0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 級(jí)。而最大引用誤差常用來表示電測(cè)量指示儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)，它們之間的關(guān)系是[2]：

式中： Rnm—最大引用誤差；α—儀表準(zhǔn)確度等級(jí)指數(shù)；△Xm—儀表最大絕對(duì)誤差；Xm—儀表的量程。

本裝置的研究對(duì)象為一只量程為5V 的電壓源表盤，每一小格為0.1 伏，表的精度為1/50，準(zhǔn)確度為2.5，所以待檢表最大誤差±2.5%。工程上一般用準(zhǔn)確度度級(jí)別高于待檢表級(jí)別來檢定，故本系統(tǒng)檢定級(jí)別在至少一個(gè)準(zhǔn)確度級(jí)別以上，系統(tǒng)至少最大誤差Rnm≤1.5%。

通過組成檢測(cè)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)檢測(cè)元件或儀表的誤差求得系統(tǒng)的最終的誤差，即為檢測(cè)系統(tǒng)誤差的綜合。根據(jù)誤差理論可按概率統(tǒng)計(jì)方法，按各環(huán)節(jié)誤差的均方根求得的誤差估計(jì)系統(tǒng)的誤差[3]，即：

由σ≤Rnm，系統(tǒng)各器件取一個(gè)比較合適的量，定為小于1%。根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)選擇器件的參數(shù)。

3.1 表盤成像及固定單元

要求待測(cè)表和鏡頭的位置最佳以保證采集表盤圖像時(shí)最佳的成像。針對(duì)表盤尺寸，需要處理的對(duì)象是一個(gè)小目標(biāo)，不需要大的空間，無需高分辨率的面掃圖像傳感器就可實(shí)現(xiàn)?；谙到y(tǒng)的要求以及圖像傳感器的成本和供貨狀況等方面的考慮，本系統(tǒng)采用豪威科技公司推出的一款VGA CMOS 圖像傳感器OV7620 CameraChip。OV7620 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Interior structure of image sensor

已知拍攝對(duì)象和取景范圍后，可選擇合適的鏡頭。理論上薄鏡頭的光學(xué)成像如圖4 所 示： 在 實(shí)際中，使用的是鏡頭組，與理論上有一定的偏差，但基本上接近。選擇鏡頭時(shí)可直接考慮薄鏡頭。選擇鏡頭的計(jì)算公式如下：

圖4 薄鏡頭的光學(xué)成像示意圖Fig.4 Dioptric imaging of wafery lens

其中，Mi—放大倍數(shù)；F—焦距；LE—鏡頭范圍；Hi—像高，Ho—物高；Di—像距，Do—物距[4]?？紤]檢定工作是在日常的光照下進(jìn)行，也為本設(shè)計(jì)的方便性，在不加光照的情況下就可進(jìn)行圖像采集和識(shí)別，選6.0mm焦距，稍小視角的鏡頭，并控制物距為120mm，使自然光或可眼睛適度的照明為本系統(tǒng)的光源。將表頭固定在鏡頭正對(duì)方位，Ho=63mm，Do=120mm，F(xiàn)=6mm，則放大倍數(shù)Mi≈0.0526，Di≈6.316mm，系統(tǒng)圖像傳感器安裝完后調(diào)節(jié)鏡頭的像距6.316mm。

3.2 表盤圖像信號(hào)采集單元

這部分的主要功能是獲取模擬圖像、產(chǎn)生數(shù)字圖像，即對(duì)獲取的模擬圖像進(jìn)行抗混疊濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換以及圖像截取等預(yù)處理，從而得到滿足系統(tǒng)要求的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，并為系統(tǒng)提供同步信號(hào)等。主要器件就是圖像傳感器。

OV7620 是一款高度集成、高分辨率（640*480）、隔行/逐行掃描、CMOS 數(shù)字彩色/黑白視頻攝像芯片。其數(shù)字視頻端口支持60HZ YCrCb 4:2:2，16 位/8 位模式，ZV 端口輸出模式，RGB 原始數(shù)據(jù)16 位/8 位輸出模式和CCIR601/CCIR656 模式。內(nèi)置的I2C 界面為控制內(nèi)置攝像功能提供了簡(jiǎn)便的方式。OV7620 是一個(gè)1/3” CMOS圖像設(shè)備。傳感器包括大約326×688 個(gè)像素，它基于逐行轉(zhuǎn)換的電場(chǎng)讀出系統(tǒng)和帶同步像素讀出系統(tǒng)的電子快門。傳感器的濾色鏡包含了主要顏色RG/GB 陣列，以隔行方式排列。

大部分的信號(hào)處理都在模擬處理單元里實(shí)現(xiàn)，其中進(jìn)行色彩分離，矩陣變換，自動(dòng)增益控制，灰度校正，色彩平衡，色彩校正，黑面水平校正，平滑，光圈校正，亮度色度圖象控制和排斥過濾。內(nèi)建的SCCB（Serial Camera Control Bus，串行攝像控制總線）完成視頻攝取和A/D 變換。由于OV7620 集成度高，外圍電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)化，僅由石英晶體和一些電阻電容等元件組成。

（1）圖像傳感器OV7620 的數(shù)字信號(hào)輸出有8 位和16位模式兩種。由于本系統(tǒng)針對(duì)灰度圖像進(jìn)行處理，為了簡(jiǎn)便和實(shí)用起見，采用16 位模式。數(shù)據(jù)輸出只采集OV7620 低8 位（Y7—Y0）亮度數(shù)據(jù)，用于為后續(xù)數(shù)據(jù)處理模塊提高數(shù)字圖像數(shù)據(jù)源。

（2）通過（OmniVision Serial Camera Control Bus）SCCB 編程模式，采用外部微控制器對(duì)OV7620 進(jìn)行編程，可以改變OV7620 內(nèi)部寄存器內(nèi)容，從而改變其各項(xiàng)缺省設(shè)置參數(shù)。本系統(tǒng)是利用DSP 芯片TMS320VC5416 的通用I/O 口模擬SCCB 總線接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)OV7620 內(nèi)部參數(shù)的修改。

（3）同步信號(hào)VSYNC、CHSYNC 等以及象素時(shí)鐘PCLK，用于保證所傳輸?shù)臄?shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的準(zhǔn)確，為后續(xù)數(shù)據(jù)正確處理提供了保障。

（4）其它部分按照要求通過電阻或電容接高或接地。

3.3 儀表指針位置與示值識(shí)別單元

近年來，以DSP 為核心的圖像采集處理系統(tǒng)以其體積小、處理速度快、使用靈活方便等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于要求處理速度快、實(shí)時(shí)性要求高的各種場(chǎng)合。本裝置硬件上的器件核心為DSP，其他器件都由DSP 來控制。DSP 采用I2C 總線方法對(duì)圖像傳感器進(jìn)行初始化，通過I/O 口得到圖像數(shù)據(jù)；DSP 外圍電路采用與所選DSP 芯片所匹配的電源、FLASH、復(fù)位電路；對(duì)FLASH 和D/A在DSP 內(nèi)部分配地址以便確定DSP 輸出信號(hào)后的走向，數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)線得到需要的結(jié)果。DSP 芯片通常根據(jù)算法的復(fù)雜度和存儲(chǔ)量及處理速度來選擇。圖像有效信息占據(jù)空間不大且無特別復(fù)雜的信號(hào)處理算法，選擇TI 公司的TMS320VC5416 就可以實(shí)現(xiàn)裝置核心控制計(jì)算的功能，即主要對(duì)采集到的指針式儀表圖像的指針位置和示值進(jìn)行識(shí)別[5]。

3.4 基準(zhǔn)信號(hào)輸出單元

DA 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是DSP 較常用的外設(shè)之一。在選擇DA 上除了選擇誤差小于1%、在滿足精度要求的條件下，選精度8 位，也就是1LSB 的非線性度以外，還有分辨率問題。取一個(gè)八位分辨率的DA 來看，要檢測(cè)5V量程的表，若DA 的Vref 為5V 時(shí)，DA 的分辨率為（1／255）×5V≈0.0196V，這時(shí)的量化誤差（1／255）×2≈0.0078<1%，符合要求。因?yàn)槭轻槍?duì)5V 量程的電壓表進(jìn)行設(shè)計(jì)的配套檢定裝置，故在DA 的選擇上選擇輸出方式、輸出電壓范圍易于得到的芯片。TMS320 系列DSP 接口的TLC7528 芯片能快速控制數(shù)字信號(hào)且價(jià)格便宜，可選用。同時(shí)可選用低電耗的LCD 數(shù)字顯示電路和揚(yáng)聲器即可用于顯示和報(bào)警電路。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

本文選擇一種0～5V，0.1V/格扇形均勻刻度線的2.5級(jí)準(zhǔn)確度電壓表作為檢定測(cè)試目標(biāo)，根據(jù)推算系統(tǒng)取一個(gè)合適的誤差量，定為1%。檢定時(shí)，由DSP 控制基準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)到DA 之后，從系統(tǒng)出來的基準(zhǔn)電壓連接到待測(cè)電壓表上，使表有相應(yīng)的數(shù)值，進(jìn)行圖像的采集和識(shí)別后，讀出數(shù)值和基準(zhǔn)電壓比對(duì)，得到檢定的數(shù)值，若在表的允許誤差內(nèi)，則視為合格，若超出，則不合格，則報(bào)警，并將每次檢測(cè)的誤差值顯示出來。本實(shí)驗(yàn)誤差值顯示三位數(shù)，為誤差值百分?jǐn)?shù)擴(kuò)大100 倍得到，結(jié)果見表1。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)表的顯示值＞249，即表的誤差大于2.5%時(shí)，該表為不合格，啟動(dòng)控制喇叭響。從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該裝置達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢表任務(wù)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental data

5 結(jié)論

本文針對(duì)模擬指針式儀表的檢定問題，研究了一種基于機(jī)器視覺系統(tǒng)，以DSP 為核心處理的自動(dòng)檢定裝置，并將檢定基準(zhǔn)源簡(jiǎn)化，在保證精度和檢定時(shí)間的前提下，完成檢定工作，提高檢定工作的靈活型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該自動(dòng)檢定裝置達(dá)到了指定精度范圍內(nèi)要求的機(jī)器檢表任務(wù)，可改善儀表檢定系統(tǒng)的龐大和復(fù)雜應(yīng)用，具有一定的應(yīng)用意義。

[1] 史春燕.指針式儀表自動(dòng)檢定裝置的研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2008.

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