電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程 林

（福建省計(jì)量科學(xué)研究院， 福建 福州 350001）

0 引 言

在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，很多生產(chǎn)環(huán)節(jié)都會(huì)涉及到包裝稱重問(wèn)題，如醫(yī)療產(chǎn)品配料過(guò)程、速食產(chǎn)品以及動(dòng)物飼料的包裝過(guò)程、礦石物料生產(chǎn)過(guò)程等[1-3]。在實(shí)際工作中，電子定量包裝秤通過(guò)接收傳感器信號(hào)對(duì)稱重過(guò)程中的參數(shù)量值實(shí)施合理示值。電子定量包裝秤在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)用效果受其自身工作性能優(yōu)劣狀況影響，若其工作性能不良，極易導(dǎo)致所生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量下降[4-5]?；诖耍瑢?duì)電子定量包裝秤定期實(shí)施計(jì)量校準(zhǔn)是實(shí)際工作中非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，通過(guò)有效地計(jì)算校準(zhǔn)操作，可使其能夠滿足實(shí)際工作需求。

針對(duì)上述問(wèn)題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者研究設(shè)計(jì)了大量行之有效的電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)方法或系統(tǒng)。唐靜宜等研究了基于圖像識(shí)別的電子定量包裝秤讀數(shù)識(shí)別與校準(zhǔn)方法，即通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別電子定量包裝秤讀數(shù)，經(jīng)合理分析、解算等一系列操作后，通過(guò)一種多功能讀數(shù)校正裝置實(shí)現(xiàn)電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)[6]。唐思豪等采用ADAM 優(yōu)化器對(duì)多層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施合理優(yōu)化，提出一種基于ADAM 改進(jìn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電子定量包裝秤讀數(shù)識(shí)別與校準(zhǔn)方法，利用優(yōu)化后的多層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子定量包裝秤讀數(shù)的自動(dòng)化校準(zhǔn)，獲得更為準(zhǔn)確的電子定量包裝稱量結(jié)果[7]。

以往研究成果普遍實(shí)現(xiàn)了電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)，但是校準(zhǔn)效果不夠理想。將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)工作中，可使電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)工作效果得到顯著提升。為此，本文基于該技術(shù)對(duì)電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)施合理設(shè)計(jì)，以更好地滿足實(shí)際工作需要。

1 電子定量包裝秤二次校準(zhǔn)系統(tǒng)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

為了使電子定量包裝稱量以及控制系統(tǒng)在靈活性以及功能性方面得到顯著提升，依托于虛擬儀器技術(shù)對(duì)電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)機(jī)器視覺代替人眼計(jì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子定量包裝秤的自動(dòng)化校準(zhǔn)。依托該技術(shù)設(shè)計(jì)的電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1 中，充分利用RJ 45 接口，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序?qū)⒂斜匾獜?fù)現(xiàn)的重量值發(fā)送至Anritsu MT1100A Network Master Pro 標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)，而后由標(biāo)準(zhǔn)器將其輸出，并通過(guò)連接導(dǎo)線建立與電子定量包裝秤間的有效連接?；贏dvantech PCI-1713U 8 通道高速PCI 多功能數(shù)據(jù)采集卡，待電子定量包裝秤所顯示測(cè)量值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序?qū)z像頭發(fā)出相應(yīng)指令，令其對(duì)電子定量包裝秤測(cè)量值顯示圖像，執(zhí)行合理采集操作，并將采集完成后的圖像數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)通信模塊上傳至校準(zhǔn)中心的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，由數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊使用中值濾波方法對(duì)所得到的圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行去噪操作。去噪工作完成后，將去噪后的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)模塊實(shí)施合理存儲(chǔ)，計(jì)量校準(zhǔn)模塊通過(guò)調(diào)用由數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)的電子定量包裝秤測(cè)量數(shù)據(jù)，使用基于機(jī)器視覺的校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)電子定量包裝秤實(shí)施合理計(jì)量校準(zhǔn)，并將最終校準(zhǔn)結(jié)果發(fā)送給遠(yuǎn)程上位機(jī)實(shí)施合理顯示。若有打印需要，可通過(guò)打印機(jī)打印相應(yīng)的電子定量包裝秤測(cè)量校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

1.2 顯示圖像采集模塊設(shè)計(jì)

應(yīng)用合適的數(shù)據(jù)采集技術(shù)對(duì)示值界面圖像實(shí)施合理采集，是進(jìn)一步完成電子定量包裝秤自動(dòng)化校準(zhǔn)工作的首要前提。鑒于FPGA 芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與控制能力[8-9]，本文基于FPGA 芯片對(duì)圖像采集模塊進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，用于完成示值界面圖像采集工作?；贔PGA 芯片的圖像采集模塊架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于FPGA 芯片的圖像采集模塊架構(gòu)

圖2 中，對(duì)SCCB 總線執(zhí)行合理的協(xié)議編寫操作，并利用其對(duì)型號(hào)為OV5640 的圖像傳感器執(zhí)行初始性配置操作，使其輸出的示值界面圖像數(shù)據(jù)流的格式為RGB565 格式。等到圖像傳感器初始性設(shè)置工作完成后，F(xiàn)PGA 主控芯片（如Stratix 10 GX）接收由圖像傳感器發(fā)送來(lái)的示值界面圖像，并放入其內(nèi)部的FIFO 存儲(chǔ)單元實(shí)施合理存儲(chǔ)緩存。當(dāng)在該存儲(chǔ)單元中緩存的示值界面圖像達(dá)到以太網(wǎng)一次發(fā)送量時(shí)，由以太網(wǎng)將其發(fā)送給上位機(jī)，并完成相應(yīng)顯示操作。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 定量包裝秤顯示圖像去噪

在示值界面圖像到達(dá)校準(zhǔn)中心后，應(yīng)首先使用合理的預(yù)處理方法對(duì)其實(shí)施預(yù)處理，放入數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)模塊實(shí)施相應(yīng)存儲(chǔ)，從而顯著提升示值界面圖像的質(zhì)量，得到更為理想的電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)效果。

中值濾波算法實(shí)質(zhì)上隸屬于非線性類平滑濾波算法范疇，它把各像素點(diǎn)所擁有的灰度值當(dāng)成與該像素點(diǎn)某個(gè)鄰域性窗口中全部像素點(diǎn)擁有灰度值的中間值[10-13]。對(duì)示值界面圖像中的噪聲數(shù)據(jù)執(zhí)行平滑濾波操作時(shí)，首要任務(wù)是在含噪聲的示值界面圖像信號(hào)中，將點(diǎn)(i,j)當(dāng)成中心位置的濾波窗口Q2[f(i,j)]，找到與該窗口相對(duì)應(yīng)的像素灰度中值點(diǎn)MedianQ2[f(i,j)]；而后使該窗口中全部點(diǎn)都把MedianQ2[f(i,j)]當(dāng)成有效基準(zhǔn)，對(duì)窗口中所有像素點(diǎn)執(zhí)行加權(quán)系數(shù)求解操作；最終通過(guò)對(duì)Q2[f(i,j)]中各像素點(diǎn)所擁有的灰度值與其所對(duì)應(yīng)像素權(quán)值的積執(zhí)行有效求和操作獲得輸出，并將其當(dāng)成新獲得的點(diǎn)(i,j)的灰度值，完成相應(yīng)的示值界面圖像去噪工作。利用中值濾波算法對(duì)示值界面圖像執(zhí)行去噪的過(guò)程用公式可描述為：

1.3.2 二次校準(zhǔn)

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合實(shí)際電子定量包裝稱量工作狀況，本文決定在校準(zhǔn)中心的計(jì)量校準(zhǔn)模塊使用基于機(jī)器視覺的校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)電子定量包裝秤實(shí)施自動(dòng)化校準(zhǔn)。校準(zhǔn)流程可簡(jiǎn)單歸結(jié)如下：

1） 為更好地適應(yīng)計(jì)算機(jī)程序，降低計(jì)算機(jī)運(yùn)算復(fù)雜度，對(duì)示值界面圖像執(zhí)行灰度化操作。對(duì)示值界面圖像執(zhí)行灰度化操作，實(shí)際上就是對(duì)含彩色信息的示值界面圖像執(zhí)行亮度轉(zhuǎn)化操作?；叶然^(guò)程為：

式中：G?為灰度值；R、G、B為紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色的有效分量。

2） 示值界面圖像感興趣區(qū)域定位與二值化處理。在完成示值界面圖像灰度化工作后，對(duì)圖像感興趣區(qū)域定位，并定義一個(gè)臨界性灰度閾值，將大于與小于該值的像素灰度分別當(dāng)成灰度G?最大值與最小值，從而完成相應(yīng)的二值化工作，獲得示值界面圖像前景、背景信息。

3） 通過(guò)OCR 軟件對(duì)示值界面圖像中的儀表讀數(shù)進(jìn)行特征提取和識(shí)別。

4） 電子定量包裝秤誤差范圍確定[14-15]。在通過(guò)步驟3）得到讀數(shù)后，可通過(guò)下式獲得校準(zhǔn)時(shí)的誤差量，其求解過(guò)程用公式表示為：

式中：顯示的重量值用hd標(biāo)記；電子定量包裝秤校準(zhǔn)器檢測(cè)出的重量值用hs標(biāo)記；g″表示重量變化率；b表示電子定量包裝秤分辨力；e表示修正值。

在經(jīng)過(guò)合理測(cè)量獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后，代入到式（4）便可明確該電子定量包裝秤的誤差范圍。依據(jù)該誤差量可以對(duì)電子電量包裝秤的精度實(shí)施合理判斷，還可以依據(jù)該判斷結(jié)果二次校準(zhǔn)電子電量包裝秤讀數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

以湖北省某電子衡器生產(chǎn)公司生產(chǎn)的某型號(hào)電子定量包裝秤為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)其實(shí)施自動(dòng)化校準(zhǔn)，驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中安裝了計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)，以此保證電子定量包裝秤的運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠被計(jì)算機(jī)成功接收。因在本文中使用了機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)電子定量包裝秤實(shí)施自動(dòng)化校準(zhǔn)，故在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中還安裝了光源以及光學(xué)鏡頭、工業(yè)CCD 相機(jī)等與機(jī)器視覺技術(shù)相關(guān)的運(yùn)行類設(shè)備，工業(yè)CCD 相機(jī)規(guī)格以及各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)情況如表1 所示。

表1 CCD 相機(jī)規(guī)格以及技術(shù)參數(shù)

應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)采集的示值界面圖像實(shí)施合理去噪，獲得的示值界面圖像去噪效果如圖3 所示。

圖3 包裝秤顯示圖像去噪效果

從圖3 可以看出，應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)采集的示值界面圖像執(zhí)行去噪操作后，圖像中的噪聲元素已基本被去除，說(shuō)明本文系統(tǒng)可為實(shí)際電子定量包裝秤自動(dòng)化校準(zhǔn)工作提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保障。

應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)示值界面圖像執(zhí)行合理灰度化操作，得到的示值界面圖像灰度化效果如圖4 所示。

圖4 圖像灰度化效果

分析圖4 可知，應(yīng)用本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)示值界面圖像灰度化，使其更好地適應(yīng)計(jì)算機(jī)程序，進(jìn)而有效提升電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)工作的效率。應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)電子定量包裝秤實(shí)施自動(dòng)化校準(zhǔn)，獲得的電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)結(jié)果如表2 所示。

表2 包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)結(jié)果

從表2 可以看出，應(yīng)用本文系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)，并且校準(zhǔn)后效果較好，校準(zhǔn)后讀數(shù)更接近稱重貨物實(shí)際重量，可更好地滿足實(shí)際工作需要。

3 結(jié) 論

本文合理設(shè)計(jì)一種電子定量包裝秤自動(dòng)化二次校準(zhǔn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子定量包裝秤的自動(dòng)化校準(zhǔn)，且校準(zhǔn)效果較理想，極大地保障了電子定量包裝稱量工作的順利進(jìn)行。將該系統(tǒng)推廣使用于實(shí)際生產(chǎn)工作中，能對(duì)實(shí)際工作產(chǎn)生積極的影響。