基于FPGA的指针式仪表识别系统的设计与实现

摘要

在目前工业领域，指针式仪表在实际生产中应用非常普遍。大多数应用场合都是采用人工读数的方式来采集指针式仪表的数据，但很多测量现场是高温、高压、高辐射等恶劣危险的环境，因此人们开始将自动识别指针式仪表值的技术应用于工业生产中。基于FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的指针式仪表自动识别技术与传统的仪表识别方法相比，有着无可比拟的优点。其充分利用硬件的并行性实现仪表图像的采集、分析、处理及识别，从本质上改善了图像处理的效果。
　　本文设计了一个基于FPGA的指针识别系统，采用Altera公司的DE2开发板作为硬件平台，SDRAM(Synchronous Dynamic RAM，同步动态随机存取存储器)存储图像，VGA(Video Graphic Array，显示绘图阵列)显示器对指针式仪表的示值进行显示。整个系统采用软件和硬件协同方式实现。首先根据系统的总体需求分析，设计和实现了硬件上的各个模块，包括图像采集模块，图像数据缓存模块，图像显示模块和指针图像预处理模块。通过QuartusⅡ软件，利用硬件设计语言搭建硬件系统。再使用SOPC Builder来构建Pointer模块作为后续分析运算平台。将CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补氧化金属半导体)摄像头采集并预处理的图像数据读取到SRAM中，以搭建的Pointer模块为硬件模块，在NiosⅡ IDE环境下采用C语言对软件编程并调试，利用Hough变换提取出仪表指针，采用角度法识别指针仪表的示值，最终存储并在LCD屏上显示。
　　本文完成了指针式仪表识别系统的设计，通过实验表明，该系统可以实现自动识别指针式仪表示值的基本功能。经测试系统可以正常工作、运行稳定、适应能力强并具有很高的安全性。通过对算法的分析与改进有效地提高了系统的识别正确率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与提出

1．2 课题国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题研究意义

1．4 本文章节安排

第2章 系统相关知识介绍

2．1 系统硬件开发平台

2．1．1 DE2开发平台

2．1．2 FPGA芯片EP2C35F672C6

2．1．3 CMOS图像传感器

2．2 系统软件开发平台

2．2．1 Quartus Ⅱ软件平台

2．2．2 SOPC Builder软件平台

2．2．3 Nios Ⅱ软件平台

2．3 指针式仪表图像预处理

2．3．1 彩色图像灰度化

2．3．2 图像平滑

2．3．3 边缘检测

2．3．4 图像二值化

2．4 仪表指针识别

2．4．1 指针识别算法

2．4．2 指针式仪表示数判定

2．5 本系统采用的算法

2．6 小结

第3章 系统总体设计

3．1 系统需求分析

3．2 系统总体设计

3．3 小结

第4章 系统各功能模块的设计及实现

4．1 图像采集模块

4．1．1 I2C传感器配置模块

4．1．2 CMOS传感器数据采集模块

4．1．3 格式转换模块

4．2 图像数据缓存模块

4．3 图像显示模块

4．4 图像预处理模块

4．4．1 彩色图像灰度化模块

4．4．2 图像平滑模块

4．4．3 图像边缘检测及二值化模块

4．5 指针识别模块

4．6 示值判定模块

4．7 小结

第5章 系统调试及运行结果

5．1 系统调试

5．1．1 硬件调试

5．1．2 软件调试

5．2 遇到的问题及解决方法

5．3 系统运行结果

5．4 识别精度

5．5 系统主要性能参数

5．6 小结

第6章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 进一步工作展望

参考文献

致谢