一種新型智能配光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡賢躍，王坤

（中國民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300）

一種新型智能配光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡賢躍，王坤

（中國民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300）

0　引言

現(xiàn)階段民用飛機(jī)駕駛艙合理的光環(huán)境［1］為機(jī)組人員提供良好的視覺環(huán)境，科學(xué)合理的光環(huán)境設(shè)計(jì)可以對(duì)駕駛艙人機(jī)工效［2］優(yōu)化、飛機(jī)的安全可靠性設(shè)計(jì)，尤其在飛行員視覺、心理等方面，起到積極的指導(dǎo)作用，從而保證了飛行安全。因此創(chuàng)造一個(gè)舒適性極高的駕駛艙光環(huán)境，提高視覺效能是每個(gè)工程技術(shù)人員的目標(biāo)。

目前在國內(nèi)，對(duì)于飛機(jī)駕駛艙面板配光操作的研究還是比較少的，大多也都是采用傳統(tǒng)的手動(dòng)配光，精度和效率都是保持很低的狀態(tài)，還沒有達(dá)到對(duì)于駕駛艙面板進(jìn)行高精度的配光操作。在國外，對(duì)于飛機(jī)駕駛艙光環(huán)境的研究還是比較多的，在理論研究方面較成為體系，同時(shí)也比較注重理論創(chuàng)新的研究，其中對(duì)于飛機(jī)駕駛艙炫光［3］，光環(huán)境對(duì)于飛行員的視覺特性影響以及有關(guān)有效視野等方面的研究更加深入，但是在飛機(jī)駕駛艙面板的配光操作上也不是很多，而且隨著航空電子技術(shù)的全面提升和綜合化軍用電子系統(tǒng)的迅速發(fā)展，使得航空電子裝備的生產(chǎn)和測試對(duì)相關(guān)測試技術(shù)的要求越來越高?；诖耍菊n題設(shè)計(jì)了智能配光系統(tǒng)，主要是對(duì)飛機(jī)駕駛艙面板進(jìn)行配光操作，通過虛擬儀器技術(shù)［4］，即硬件、軟件和操作面板相結(jié)合，能夠進(jìn)行高精度的配光操作，大大提高了配光的效率和配光的準(zhǔn)確率，創(chuàng)造科學(xué)合光環(huán)境，為安全飛機(jī)提供了根本的保障。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

虛擬儀器的基本構(gòu)成包括：計(jì)算機(jī)的硬件資源、模塊化的儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及上位機(jī)圖形用戶界面的軟件，是一種由計(jì)算機(jī)直接操縱的模塊化儀器系統(tǒng)［5］。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動(dòng)化的應(yīng)用等。系統(tǒng)上位機(jī)界面需要實(shí)時(shí)顯示配光操作的參數(shù)曲線I-L、I-U和相關(guān)數(shù)據(jù)表的變化，有配光界面和數(shù)據(jù)庫管理界面等，能夠進(jìn)行配光操作，方案打印，數(shù)據(jù)的新增、刪除、查詢、分析、顯示等。系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

系統(tǒng)的工作流程：

上位機(jī)可以通過PXI總線［6］控制NI PXI源測量單元輸出可編程的、精確的、穩(wěn)定的電流，去驅(qū)動(dòng)被測產(chǎn)品，同時(shí)精確測量被測產(chǎn)品兩端的電壓U，將測量電壓通過USB/RS-232反饋給上位機(jī)。使用亮度計(jì)LC1300采集當(dāng)前被測產(chǎn)品的亮度值L。

通過上述操作，上位機(jī)可以獲得被測產(chǎn)品的工作電流I、工作電壓U和與之匹配的發(fā)光亮度L，通過上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)繪制被測發(fā)光塊的電壓-電流，亮度-電流特性曲線以及相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表。上位機(jī)設(shè)計(jì)自動(dòng)配光算法以，在數(shù)據(jù)庫管理界面后臺(tái)加入穩(wěn)壓管數(shù)據(jù)庫、電阻數(shù)據(jù)庫，根據(jù)發(fā)光塊的特征曲線以及應(yīng)用場合晝夜電壓值，進(jìn)行計(jì)算、處理，然后選擇物料，直至得到最為合適的配光方案。

圖1　系統(tǒng)原理圖

1.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，在硬件平臺(tái)［7］的構(gòu)建上使用德國INSTRUMENT的亮度計(jì)LC1300采集圖像的亮度和色度；使用美國國家儀器的NI PXI源測量單元作為源驅(qū)動(dòng)，輸出可編程、精確的、穩(wěn)定的電流；使用可編程工作系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示變化的電壓U、電流I以及安裝被測產(chǎn)品等。系統(tǒng)的硬件框圖圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件框圖

1.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的核心，是最能體現(xiàn)系統(tǒng)功能和特性的平臺(tái)，軟件結(jié)構(gòu)和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)有直接的影響。根據(jù)各硬件部分的資源特性，整合相應(yīng)的邏輯思路，概括軟件部分主要包括亮度圖像采集、相關(guān)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、上位機(jī)操作界面設(shè)計(jì)、DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫調(diào)用、UDP通信設(shè)計(jì)、本地文件存儲(chǔ)等。驅(qū)動(dòng)部分主要有網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)等。軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）開放式的軟件環(huán)境，具有友好的人機(jī)交互功能，操作簡單、方便、高效；

（2）具有首頁面，對(duì)系統(tǒng)流程、功能及相關(guān)硬件設(shè)備進(jìn)行介紹；

（3）具有完備幫助功能，提供當(dāng)前操作狀態(tài)、操作提示以及常用操作方法；

（4）具有實(shí)時(shí)采集功能，過程變量的采集可按要求進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字或曲線顯示以及保存本地文件；

（5）具有數(shù)據(jù)庫維護(hù)界面，方便后臺(tái)數(shù)據(jù)的更新。

（6）具有相應(yīng)的算法，可以運(yùn)算和處理綜合分析、結(jié)果顯示、結(jié)果保存。

（7）具有方案清零功能，可以對(duì)同一類產(chǎn)品進(jìn)行多次配光操作；

（8）可對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分類匯總，并根據(jù)需要進(jìn)行顯示和打印功能。

系統(tǒng)的軟件框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件框圖

2　采集圖像的處理

基于PXI總線技術(shù)，NI PXI源測量單元輸出可編程的、精確的、穩(wěn)定的電流，去驅(qū)動(dòng)被測產(chǎn)品，使得產(chǎn)品的亮度由啟輝逐漸增大，到達(dá)設(shè)定值之后停止。同時(shí)調(diào)用相應(yīng)的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫［7］開發(fā)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度計(jì)LC1300的訪問、控制及讀取等操作。由于對(duì)配光的準(zhǔn)確率要求極高，所以經(jīng)亮度儀采集的圖像仍然需要結(jié)合相應(yīng)的算法進(jìn)行進(jìn)一步的處理，去除所采集圖像中不合理的部分，減小非亮度區(qū)域，獲得最大的平均亮度。通過結(jié)合OpenCV［8］及相關(guān)算法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，灰度化，去噪濾波、邊緣檢測以及Hough變換［9-10］等，得到最大的平均亮度。其中硬件驅(qū)動(dòng)和圖像處理的部分代碼如下所示。

3　數(shù)據(jù)庫的選擇與設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)庫的選擇

數(shù)據(jù)庫采用用于數(shù)據(jù)分析、開發(fā)軟件的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Microsoft Office Access［11］。該數(shù)據(jù)庫操作靈活、轉(zhuǎn)移方便、運(yùn)行環(huán)境簡單且能夠存取Access/Jet、Microsoft SQL Server或者任何ODBC兼容數(shù)據(jù)庫內(nèi)的資料。

3.2數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的使用可方便平臺(tái)對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)庫中包含以下存儲(chǔ)內(nèi)容：

（1）各類產(chǎn)品的I、L、U數(shù)據(jù)表；

（2）各類產(chǎn)品的U-I曲線（電氣數(shù)據(jù)）；

（3）各類產(chǎn)品的L-I曲線（L為亮度）；

（4）電阻庫（與庫房保持一致，需定期更新）；

（5）穩(wěn)壓二極管庫（與庫房保持一致，需定期更新）；

（6）產(chǎn)品的信息（晝夜電壓值、亮度指標(biāo)、配光電路參數(shù)）。

4　智能配光算法的設(shè)計(jì)

智能配光算法是平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)之一，算法根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)、批次等相關(guān)的信息，自動(dòng)提取特征曲線里的必要數(shù)據(jù)，經(jīng)過運(yùn)算處理后，選擇物料，生成有效配光方案。具體算法設(shè)計(jì)方案為：

（1）開始，即算法入口；

（2）根據(jù)采集的產(chǎn)品的特征曲線以及晝夜目標(biāo)亮度采入所需要的U1、I1、U2、I2（從保存的本地文件取數(shù)，根據(jù)給定的目標(biāo)亮度Ld、Ln找U1、I1、U2、I2）；

（3）根據(jù)公式，選擇一個(gè)合理的DZ1（XML穩(wěn)壓管庫）的值，DZ1值對(duì)應(yīng)的封裝是否與產(chǎn)品下DZ1封裝相同，相同則進(jìn)行下一步，不同則要返回重新選擇DZ1的值；

（4）根據(jù)公式 ，計(jì)算出R2的值，若庫中有R2的值，判斷R2值對(duì)應(yīng)的封裝是否與產(chǎn)品下R2封裝相同，相同則進(jìn)行下一步，不同則要返回重新選擇R2的值，若庫中沒有R2的值，則選擇一個(gè)接近R2的值，判斷此時(shí)R2值對(duì)應(yīng)的封裝是否與產(chǎn)品下R2封裝相同，相同則進(jìn)行下一步，不同則要返回重新選擇R2的值；

（5）根據(jù)公式確定R1的值，若庫中有R1的值，判斷R1值對(duì)應(yīng)的封裝是否與產(chǎn)品下R1封裝相同，相同則進(jìn)行下一步，不同則要返回重新選擇R1的值，若庫中沒有R1的值，則選擇一個(gè)接近R1的值，判斷此時(shí)R1值對(duì)應(yīng)的封裝是否與產(chǎn)品下R1封裝相同，相同則進(jìn)行下一步，不同則要返回重新選擇R1的值；

（6）根據(jù)計(jì)算得出的R1、R2、DZ1以及發(fā)光塊的特征曲線計(jì)算出最接近Ud、Un的U1’、I1’、U2’、I2’值，從而可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的亮度Ld’、Ln’；

（7）根據(jù)之前手動(dòng)輸入的Ld、Ln以及計(jì)算得出的Ld’、Ln’進(jìn)行誤差計(jì)算，即 與 ，結(jié)果在誤差范圍內(nèi)則生成配光方案，否則返回（3）重新進(jìn)行DZ1值的選擇。

算法設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

5　WinForm程序開發(fā)與界面顯示

利用VS2010完成WinForm［12］應(yīng)用程序的開發(fā)，進(jìn)行上位機(jī)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。運(yùn)行Visual Studio 2010，在文件 菜單中單擊新建-項(xiàng)目，在新建項(xiàng)目窗口中選擇項(xiàng)目類Visual C#，指定模板為Windows窗體應(yīng)用程序，指定項(xiàng)目名稱和解決方案名稱，點(diǎn)擊確定按鈕項(xiàng)目默認(rèn)生成一個(gè)窗口Fo rm1.cs，在屬性窗口中修改窗口的名字為自己所需要的名字。可以使用VS2010的工具箱在窗口上添加各種應(yīng)用程序所需要的控件，如:按鈕，數(shù)據(jù)表，文本框，打印等。如需要增加新的窗口，只需要在菜單項(xiàng)目中點(diǎn)擊添加Windows窗體添加新的窗口。通過相關(guān)C#腳本語言的編寫，控件的添加以及素材的整理，設(shè)計(jì)開發(fā)的系統(tǒng)界面如圖5所示（上位機(jī)的操作界面之一），從系統(tǒng)界面可以看出系統(tǒng)含有首頁、配光、數(shù)據(jù)、幫助等四個(gè)界面。在配光界面有實(shí)時(shí)，配光，方案打印等功能按鈕，有實(shí)時(shí)曲線表I-U、I-L以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表等功能結(jié)果顯示區(qū)。

圖4　算法設(shè)計(jì)流程圖

圖5　系統(tǒng)界面

6　結(jié)語

正是由于我國虛擬儀器的研究起步相對(duì)較晚，還有很多新功能新方法需要完善，同時(shí)隨著科學(xué)研究的不斷深入，虛擬儀器將會(huì)在航空電子測試領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。本文從硬件和軟件兩方面系統(tǒng)的描述了智能配光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，利用虛擬儀器技術(shù)即“軟件就是儀器”的技術(shù)方法設(shè)計(jì)的智能配光系統(tǒng)滿足電子裝備測試功能的所有需求。通過實(shí)際的測試應(yīng)用，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，可以生成配光方案，精確地選擇所需物料，相對(duì)于傳統(tǒng)的人工手動(dòng)配光，配光效率大大提高，配光的準(zhǔn)確率也能夠達(dá)到95%以上，同時(shí)對(duì)于產(chǎn)品的亮度一致性驗(yàn)證效率提高了200%。

綜上所述，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了良好的效果，體現(xiàn)了智能配光系統(tǒng)的實(shí)用性、高效性和極強(qiáng)的抗干擾性，具有很好的應(yīng)用前景。

［1］楊彪.民機(jī)駕駛艙光環(huán)境設(shè)計(jì)及視覺工效學(xué)研究［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2011.

［2］舒秀麗，董文俊，董大勇.基于人機(jī)功效的民機(jī)駕駛設(shè)計(jì)原理［J］.航空工程進(jìn)展，2015，6（2）：222-223.

［3］曾藝.民用飛機(jī)駕駛艙控制板光色性能研究［J］.技術(shù)與市場，2015，22（8）：40-42.

［4］朱巖，余愚.虛擬儀器技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008，3（6）：12-14.

［5］姜海波.虛擬儀器技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2010（15）：53-54

［6］盧振達(dá)，陳建輝，張延生.基于PXI總線的某型導(dǎo)彈數(shù)字組合自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)，2009（4）：20-22.

［7］周立，蔣天發(fā).C++Builder中DLL的創(chuàng)建及調(diào)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（16）：73-75.

［8］陰法名.基于OpenCV圖像處理［J］.科技信息，2009（32）：220.

［9］張進(jìn)猛，張進(jìn)秋.基于OpenCV的圖像采集和處理［J］.軟件導(dǎo)刊，2010，9（1）：164-165.

［10］阮秋琦.數(shù)字圖像處理學(xué)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［11］崔再惠.Access數(shù)據(jù)庫與SQL Server數(shù)據(jù)庫主要功能的比較［J］.鞍山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11（6）：51-52.

［12］劉輝，常婉綸.基于C#的WinForm程序參數(shù)傳遞和同步顯示實(shí)現(xiàn)［J］，2010，33（14）：64-66.

Intelligent Light；PXI Bus；WinForm；Image Processing；Light Distribution Algorithm

Design and Application of New Intelligent Light System

HU Xian-yue，WANG Kun
（Civil Aviation University of China，College of Aeronautical Automation，Tianjin 300300，China）

1007-1423（2015）33-0057-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.33.016

胡賢躍（1991-），男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芟到y(tǒng)與故障檢測

王坤（1978-），女，天津人，副教授，博士，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別，智能系統(tǒng)與故障檢測、分析

2015-10-29

2015-11-19

針對(duì)民用飛機(jī)駕駛艙面板上告警燈盒采用人工手動(dòng)的配光方式，既增加工作人員的負(fù)擔(dān)和工作量，又不易根據(jù)相關(guān)要求達(dá)到精準(zhǔn)的配光。提出一種新型智能配光系統(tǒng)，闡述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，基于PXI總線的虛擬儀器技術(shù)，利用VS2010完成WinForm程序的開發(fā)，結(jié)合圖像處理算法、配光算法等，實(shí)現(xiàn)智能配光系統(tǒng)的集成。通過測試和應(yīng)用，該系統(tǒng)大大提高配光的效率和準(zhǔn)確率，為改善配光操作人機(jī)工效提供有效途徑，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和創(chuàng)新性。

智能配光；PXI總線；WinForm；圖像處理；配光算法

Warning lamp on the box for civilian aircraft cockpit panel manually using artificial light distribution，not only increasing the burden and workload of staff，but also difficult to achieve precise light distribution according to the relevant requirements.Proposes a novel intelligent grading system addresses the key technologies of system implementation，based on virtual instrument technology PXI bus，uses VS2010 WinForm to complete the development program，combined with image processing algorithms，with light algorithms，ultimately the intelligent light system integration.By testing and application，this system greatly improves the efficiency and accuracy of light distribution，improves the light distribution operating ergonomics to provide an effective way，with a strong practical and innovative.