Lab VIEW在圖像繪制系統中的應用

李冬冬 吳思遠 王浩全 唐志鴻

（華南理工大學廣州學院,廣東 廣州 510800）

1 引言

隨著計算機技術、大規模集成電路技術和通信技術的不斷發展,電子測量技術領域發生了巨大的變化；各式各樣的軟件進入我們的視野,讓人目不暇接,繪圖軟件便是其中一種。常用的繪圖軟件有很多,例如Photoshop、Adobe image、Auto CAD等,它們功能齊全,能夠繪制各類圖形。但是想要輸出圖像的話,則一般需要用到打印機,如此一來,成本便會上升,而且也會有所不便。虛擬儀器系統概念是對傳統儀器概念的重大突破,是計算機系統與儀器系統技術相結合的產物。它利用計算機系統的強大功能,結合相應的硬件,大大突破傳統儀器在數據處理、顯示、傳送、處理等方面的限制,使用戶可以方便地對其進行維護、拓展、升級等,其中Lab-VIEW就廣為儀器使用者稱道,本系統就是基于Lab VIEW的繪圖軟件,具有各種繪制所需的基本功能,因為其強大的拓展性,Lab VIEW能夠非常方便地與單片機、Arduino等成本低廉的控制芯片相連接,使得我們能夠輕松集成現有的測量設備,最終以較少的成本加速產品上市的時間。本系統應用于咖啡拉花環節,可以根據客戶選定的圖案進行加工,把客戶選定的圖案在咖啡表面上還原出來。

2 系統總體設計

系統使用Lab VIEW開發,用戶可以在繪圖界面畫出自己想要的圖案。該圖案經過程序轉化后發送給下位機,例如拉花機構,由下位機將圖案繪制出來。系統流程圖如圖1所示。

圖1 系統流程圖

3 前面板設計

本系統的使用界面簡潔友好,設有繪圖區、畫筆屬性選項菜單欄、圖形選項操作菜單欄和修改按鈕。

圖形選項菜單欄里可以選擇一些常用圖形,用于輔助作圖,例如,直線、矩形和圓等。用戶可以根據自己的需要,選擇好相對應的屬性后即可開始作圖,整個過程簡單易懂。

4 程序搭建

整個程序主要由三部分組成:圖像初始化部分、圖像繪制部分以及路線存儲部分。

4.1 圖像初始化程序

圖像初始化主要用于清空VI（Virtual Instrument,虛擬儀器）之前運行留下來的圖像,通過順序結構使程序在運行時首先執行初始化操作,對圖像的各項相關值賦予初始值,因此,當系統開始運行的時候,繪圖區域會把上一次的圖像清空,方便進行下一次圖像的繪制[1],程序如圖2所示。

圖2 圖像初始化程序

4.2 圖像繪制程序

圖像繪制程序的核心結構是事件結構。我們將繪圖時會出現的情況分為8種,即8個事件,分別是鼠標按下、鼠標移動、鼠標釋放、鼠標離開、鼠標進入、“操作”按鈕的狀態改變、“清除”按鈕的狀態改變、“停止”按鈕的狀態改變[2]。

我們將不同功能的子程序放入到相對應的事件當中,當程序開始運行時,前面板時刻監控著鼠標的位置和機械動作,以及界面上菜單欄和按鈕的狀態。根據鼠標的機械動作和按鈕的狀態變化進入到對應的事件當中,從而執行事件中的子程序。

設置光標VI:更改前面板中的光標外觀。通過連線數據至圖標輸入端可確定要使用的多態實例,也可以手動選擇實例。

當鼠標在繪圖區域按下時,觸發“鼠標按下”事件,根據“操作”菜單欄里的選項進入到相應的事件,例如通過繪制點函數,當繪制點和線的時候,鼠標畫下第一點,程序首先會記錄鼠標在繪圖區域的坐標位置,接著根據該坐標記錄圖畫的第一點的坐標,并把坐標提取出來存放在數組,以提供后續路線規劃所需參數[3],程序如圖3所示。

圖3 鼠標按下事件

當鼠標保持按下動作在繪圖區域移動時,觸發“鼠標移動”事件,根據“操作”菜單欄里的選項進入到相應的事件,例如通過繪制多條直線函數,畫出多條直線,圖像會記錄鼠標的移動軌跡,并將它反映在畫面上,程序如圖4所示。

圖4 鼠標移動事件

當鼠標釋放時,標志著這一筆結束,觸發“鼠標釋放”事件,記錄圖畫最后一點。最后,當鼠標離開繪圖區域時,觸發“鼠標離開”事件,光標形態回復正常[4]。

使用者每畫一筆,這些程序都將依次執行一次,如此循環,從而可以繪出一幅完整的圖。

4.3 路線存儲程序

為了能讓下位機能夠將繪圖區的圖案還原到現實世界當中,我們需要將圖案坐標存儲起來,并加以規劃。

路線存儲程序主要用到移位寄存器和數組,移位寄存器用于將上一次循環的值傳遞至下一次循環,而數組則是用于順序存儲圖案坐標,整個存儲程序穿插在圖像繪制程序。

使用者在進行畫圖的同時,路線儲存部分的程序也在進行,通過移位寄存器,將圖像每一筆的坐標按照使用者的繪畫順序儲存到數組里,再將這些數組進行一系列算法處理,從而達到路線規劃的目的。使用者每新畫一筆時,程序會添加一個特殊數字進入到數組里,用來達到區分斷點的目的。例如,下位機識別到該數字時,可得知這一筆已經結束,需要另起一筆。同時,系統中的“清除”功能也是根據它來實現,使用者在使用“清除”功能時,通過搜索一維數組函數,程序會識別該特殊數字,通過刪除數組元素函數,清除掉使用者不需要的上一筆,從而達到修改圖畫的作用,如圖5所示。

圖5 清除程序

5 坐標轉化

經過路線存儲程序,將我們所需要的圖像坐標以數組的形式,按順序打包好發送至下位機,下位機直接對該數組進行運動算法處理得到運動參數。獲取到所需的相關參數后,我們以NI公司開發的myRIO作為控制器來進行坐標轉化[5]。

myRIO作為NI“口袋實驗室”系列針對嵌入式控制學習及應用的設備,成本低廉、小巧便攜、可以隨時隨地開展學習和工程創新實踐。myRIO包含模擬輸入、模擬輸出、數字I/O線、板載加速度計、Xilinx FPGA以及雙核ARM Cortex-A9處理器,一些型號還支持WIFI功能。

5.1 步進電機程序

我們的運動控制平臺是一個三軸平臺,步進電機通過聯軸器帶動絲桿旋轉,絲桿上的滑塊通過絲杠螺母機構,將電機的旋轉運動轉化為絲桿的直線運動。

為了能夠準確地控制步進電機的步數,使它能夠按照要求的軌跡運動,我們采用for循環結構。通過改變循環次數可以達到控制電機脈沖數量從而控制運動距離的目的,再通過絲杠螺母機構,將步進電機的旋轉運動轉化為直線運動,由此可準確控制滑塊的移動距離,滿足運動轉化的需要[6]。

我們知道,電機運轉的速度較慢時,它的受控性較好,所達到的精度也相對較高。反之,電機的速度較高時,根據電機本身的質量,受控性及精度下降的程度將有所不同。為了能夠實現精細作圖和快速作圖,我們通過改變循環時間,即for循環一次所需要的時間,來控制電機的運轉速度,從而達到精細作圖和快速作圖的目的,如圖6所示。

圖6 for循環控制電機脈沖數量

5.2 運動算法

以畫自由直線的算法為例,通過圖像坐標轉換來進行實際路線的運動控制,我們采用了微積分的思想,先將一段自由的線段細分為無數段微小的直線,再將這些單位直線進行積分運算,便能將這段自由直線還原出來。

我們所得到的像素坐標數組由x和y組成,我們先使用索引數組控件,把打包好的數組拆分為由x坐標和y坐標單獨組成的兩組數組。

將兩個數組內的所有元素每兩個前后相減,所得到的結果便是控制x軸的電機和控制y軸的電機分別需要行進的單位距離,通過控制xy軸的電機的同步運動,三軸平臺便能按照指定的自由線段的軌跡運動。

由此可知,距離是程序的變量,但是在步進電機程序中,我們是通過改變循環次數和循環時間來控制電機的脈沖數量從而控制運動的距離,所以我們還需要增加時間變量。在此,我們使用了公式節點函數來實現增加時間變量的要求。

由簡單的距離公式S=V*t可知距離、速度和時間三者之間的關系,我們通過輸入時間變量,經過算法轉化為速度輸出給步進電機,同時還將上位機的圖像比例與實際繪圖比例相匹配。

當自由線段的形態呈弧形時,通過改變電機的轉向及轉速來控制弧度的大小,最后將xy軸坐標拆分模塊、步進電機控制模塊和運動算法模塊相結合,便能實現圖像坐標到實際運動坐標的轉化。

6 結語

基于Lab VIEW的圖像繪制系統基本功能齊全,操作界面簡潔明了,而且因為Lab VIEW其強大的拓展性,使得Lab-VIEW易于與各種下位機模塊相連接,能夠快速且方便地對一些實驗平臺進行檢測,這不管對一些專業教學還是一些面向學生實驗平臺的操作都有一定的實用價值。

[1]陳樹學.Lab VIEW寶典[M].北京:電子工業出版社,2011.

[2]阮奇楨.我和Lab VIEW[M].北京:北京航空航天大學出版社,2012

[3]劉君華.基于Lab VIEW的虛擬儀器的設計[M].北京:電子工業出版社,2003.

[4]鄧振杰,齊建玲.基于Lab VIEW構建虛擬儀器系統[J].華北航天工業學院學報,2001,11(3):14-21.

[5]劉君華.虛擬儀器圖形化編程語言Lab VIEW教程[M].西安:電子科技大學出版社,2000.

[6]戴鵬飛,王勝開.測試工程與Lab VIEW應用[M].北京:電子工業出版社,2006.