【摘 要】軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)的重要組成部分，控制系統(tǒng)由于基于虛擬儀器開發(fā)，因此“軟件就是儀器”的概念在這里可以得到充分的體現(xiàn)。一般來講，采用模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)來構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)可以使軟件結(jié)構(gòu)清晰，組建方便快捷，調(diào)試簡單，各個(gè)層次由于設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的接口，使得代碼的復(fù)用率得到提高，升級維護(hù)更加方便。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW 控制系統(tǒng) 圖像處理 軟件

【中圖分類號】TP31 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-4810（2012）22-0047-02

本文為科普碼字機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理論。此科普機(jī)器人工作流程為：系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化并讀取指令、標(biāo)定等信息，系統(tǒng)做好準(zhǔn)備；接著，觀眾可以在觸摸屏上輸入簡單圖形或不同語言的文字，經(jīng)觀眾確認(rèn)后，圖像處理功能模塊讀取觸摸屏上圖像信息并輸出機(jī)械手的目標(biāo)位置；接收到目標(biāo)位置后，機(jī)械手進(jìn)行回零并進(jìn)行軌跡規(guī)劃，然后抓放物體；抓放結(jié)束后，機(jī)械手回到零點(diǎn)位置；當(dāng)機(jī)械手再次接收到信號時(shí)，機(jī)械手抓取圓片放回原處，機(jī)械手回到零點(diǎn)位置。

此科普作品通過識別觀眾在觸摸屏上輸入的簡單圖形或文字后，由機(jī)械手高速抓取圓片擺放出觀眾輸入的簡單圖形或文字來實(shí)現(xiàn)其科普性，因此要求控制系統(tǒng)軟件同時(shí)具有圖像處理模塊及運(yùn)動控制模塊。為了保證機(jī)械手有確定的參考零點(diǎn)，要求軟件具有回零功能。此外，為了調(diào)試的方便及其他要求，控制系統(tǒng)必須具有急停處理、手動控制、參數(shù)設(shè)置、位置顯示等功能，軟件功能分析見表1。

軟件設(shè)計(jì)主要包括軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)、軟件界面設(shè)計(jì)等。其中系統(tǒng)回零和圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)最能反映出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想和理念。

一 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)的重要組成部分，該控制系統(tǒng)由于基于虛擬儀器開發(fā)，因此“軟件就是儀器”的概念在這里可以得到充分的體現(xiàn)。一般來講，采用模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)來構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)，可以使軟件結(jié)構(gòu)清晰，組建方便快捷，調(diào)試簡單，各個(gè)層次由于設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的接口，使得代碼的復(fù)用率得到提高，升級維護(hù)更加方便。

本作品控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為四個(gè)層次：用戶界面層、功能模塊層、儀器驅(qū)動層、I/O接口驅(qū)動層（見圖1）。

二 系統(tǒng)回零

系統(tǒng)上電后，必須確保機(jī)械手具有精確可靠的參考零點(diǎn)，以便所有的用戶程序都相對于該零點(diǎn)可靠地運(yùn)行，這就要求機(jī)械手必須具備回零功能。由于機(jī)械手有三個(gè)主動臂，應(yīng)該使每個(gè)主動臂都能可靠地返回到零參考點(diǎn)，才能保證機(jī)械手精確確定零點(diǎn)位置。

單軸回零點(diǎn)包括兩個(gè)基本過程：尋找參考點(diǎn)（Finding Home Switch）和尋找反饋裝置標(biāo)記（Finding Index）。尋找參考點(diǎn)是通過尋找零位傳感器來確定零點(diǎn)的初始位置。尋找反饋裝置標(biāo)記是在零位附近尋找到電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器上的Z脈沖后通過位置偏移精確定位該軸的準(zhǔn)確零點(diǎn)。本機(jī)械手包括三個(gè)基本軸，回零功能流程圖見圖2。

三 圖像處理

圖像處理模塊按照圖3的流程進(jìn)行。首先，系統(tǒng)準(zhǔn)備好之后，提示觀眾可以進(jìn)行輸入，觀眾輸入完畢且確認(rèn)后，系統(tǒng)讀取觸摸屏，并獲取圖像信息；接著，對圖像進(jìn)行二值化處理，讀取二值化處理后圖像的像素矩陣，得到一個(gè)元素為0或1的矩陣，其中為0的元素代表該處為白板底色，為1的元素代表畫筆留下的痕跡；然后對得到圖像進(jìn)行離散處理，獲得機(jī)械手的目標(biāo)位置信息庫。

科普機(jī)器人的功能是用高速并聯(lián)機(jī)械手將圓片擺放成觀眾在觸摸屏上所書寫的文字或圖形，為了增強(qiáng)顯示效果，在觸摸屏顯示界面上對觀眾所書寫的內(nèi)容進(jìn)行了加粗處理，如圖4、圖5所示。

若要用圓片擺放出觀眾所繪制文字的形狀，就需要根據(jù)圓片大小對原始圖像進(jìn)行離散處理，繪圖區(qū)域的像素相對較少，本文采用簡單的逐行掃描方式，由左到右、由上到下逐像素掃描圖像，像素為1則將以該像素為中心，半徑為r的區(qū)域置為0；像素為0則不做改動，繼續(xù)掃描。圖6為在LabVIEW中該算法框圖。

以“天”字為例，離散后的圖像見圖7，圖中各圓點(diǎn)像素坐標(biāo)即為待擺放圓片的位置。將各點(diǎn)像素位置換算為機(jī)器人坐標(biāo)系中坐標(biāo)，高速并聯(lián)機(jī)械手根據(jù)這些坐標(biāo)將圓片擺放至相應(yīng)位置得到所需文字圖像。

四 控制系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)

使用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)工具開發(fā)了全部控制程序代碼，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)界面。軟件界面是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話的橋梁，因此應(yīng)設(shè)計(jì)得清晰易懂，方便用戶上手操作。軟件界面應(yīng)該能起到向?qū)ё饔?，引?dǎo)用戶自己完成相關(guān)操作。工業(yè)上應(yīng)用的軟件界面，應(yīng)遵循規(guī)范性、安全性、協(xié)調(diào)性、易用性等原則，設(shè)計(jì)簡潔，充分考慮到現(xiàn)場操作的方便性（設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)界面見圖8，使用者操作界面見圖9）。在操作界面中，左側(cè)空白區(qū)域用于觀眾輸入簡單的圖形或不同語言的文字（輸入過程中如果因某種原因需要重新輸入，按Clear鍵即可清除寫字區(qū)域）；輸入完畢后按Run鍵，機(jī)械手則開始抓取圓片并進(jìn)行拼字，拼字完成后可按系統(tǒng)提示將圓片復(fù)位。

本文介紹了基于圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)軟件。主要在作品控制系統(tǒng)軟件的需求分析基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件工程的思想，規(guī)劃出了控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)、主要功能模塊流程圖，對文字圖像處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討研究，并用LabVIEW開發(fā)設(shè)計(jì)出作品的控制面板，簡單實(shí)用，為今后的實(shí)際工作平臺設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊樂平、李海濤、趙勇等.LabVIEW高級程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003

[2]李剛、林凌.LabVIEW—易學(xué)易用的計(jì)算機(jī)圖形化編程語言[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001

[3]李海濤、楊磊.在LabVIEW中定制Windows標(biāo)準(zhǔn)窗口風(fēng)格的虛擬儀器前面板[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005（2）

[4]李濤.基于LabVIEW的小型虛擬儀器的開發(fā)[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2007（11）

〔責(zé)任編輯：高照〕