一種新型智能配光系統的設計與應用

胡賢躍，王坤

（中國民航大學航空自動化學院，天津300300）

一種新型智能配光系統的設計與應用

胡賢躍，王坤

（中國民航大學航空自動化學院，天津300300）

0　引言

現階段民用飛機駕駛艙合理的光環境［1］為機組人員提供良好的視覺環境，科學合理的光環境設計可以對駕駛艙人機工效［2］優化、飛機的安全可靠性設計，尤其在飛行員視覺、心理等方面，起到積極的指導作用，從而保證了飛行安全。因此創造一個舒適性極高的駕駛艙光環境，提高視覺效能是每個工程技術人員的目標。

目前在國內，對于飛機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的手動配光，精度和效率都是保持很低的狀態，還沒有達到對于駕駛艙面板進行高精度的配光操作。在國外，對于飛機駕駛艙光環境的研究還是比較多的，在理論研究方面較成為體系，同時也比較注重理論創新的研究，其中對于飛機駕駛艙炫光［3］，光環境對于飛行員的視覺特性影響以及有關有效視野等方面的研究更加深入，但是在飛機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的全面提升和綜合化軍用電子系統的迅速發展，使得航空電子裝備的生產和測試對相關測試技術的要求越來越高。基于此，本課題設計了智能配光系統，主要是對飛機駕駛艙面板進行配光操作，通過虛擬儀器技術［4］，即硬件、軟件和操作面板相結合，能夠進行高精度的配光操作，大大提高了配光的效率和配光的準確率，創造科學合光環境，為安全飛機提供了根本的保障。

1　系統整體設計

虛擬儀器的基本構成包括：計算機的硬件資源、模塊化的儀器硬件和用于數據分析、過程通訊及上位機圖形用戶界面的軟件，是一種由計算機直接操縱的模塊化儀器系統［5］。虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用等。系統上位機界面需要實時顯示配光操作的參數曲線I-L、I-U和相關數據表的變化，有配光界面和數據庫管理界面等，能夠進行配光操作，方案打印，數據的新增、刪除、查詢、分析、顯示等。系統的原理圖如圖1所示。

系統的工作流程：

上位機可以通過PXI總線［6］控制NI PXI源測量單元輸出可編程的、精確的、穩定的電流，去驅動被測產品，同時精確測量被測產品兩端的電壓U，將測量電壓通過USB/RS-232反饋給上位機。使用亮度計LC1300采集當前被測產品的亮度值L。

通過上述操作，上位機可以獲得被測產品的工作電流I、工作電壓U和與之匹配的發光亮度L，通過上位機軟件實時繪制被測發光塊的電壓-電流，亮度-電流特性曲線以及相關的實時數據表。上位機設計自動配光算法以，在數據庫管理界面后臺加入穩壓管數據庫、電阻數據庫，根據發光塊的特征曲線以及應用場合晝夜電壓值，進行計算、處理，然后選擇物料，直至得到最為合適的配光方案。

圖1　系統原理圖

1.1系統的硬件設計

綜合考慮系統功能的實現，在硬件平臺［7］的構建上使用德國INSTRUMENT的亮度計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動，輸出可編程、精確的、穩定的電流；使用可編程工作系統實時顯示變化的電壓U、電流I以及安裝被測產品等。系統的硬件框圖圖2所示。

圖2　系統硬件框圖

1.2系統的軟件設計

軟件設計是系統總體設計的核心，是最能體現系統功能和特性的平臺，軟件結構和人機界面的設計好壞對整個系統的性能指標有直接的影響。根據各硬件部分的資源特性，整合相應的邏輯思路，概括軟件部分主要包括亮度圖像采集、相關數據處理、數據庫設計、上位機操作界面設計、DLL動態鏈接庫調用、UDP通信設計、本地文件存儲等。驅動部分主要有網口驅動、USB驅動等。軟件設計實現的功能有：

（1）開放式的軟件環境，具有友好的人機交互功能，操作簡單、方便、高效；

（2）具有首頁面，對系統流程、功能及相關硬件設備進行介紹；

（3）具有完備幫助功能，提供當前操作狀態、操作提示以及常用操作方法；

（4）具有實時采集功能，過程變量的采集可按要求進行實時數字或曲線顯示以及保存本地文件；

（5）具有數據庫維護界面，方便后臺數據的更新。

（6）具有相應的算法，可以運算和處理綜合分析、結果顯示、結果保存。

（7）具有方案清零功能，可以對同一類產品進行多次配光操作；

（8）可對測試結果進行分類匯總，并根據需要進行顯示和打印功能。

系統的軟件框圖如圖3所示。

圖3　系統軟件框圖

2　采集圖像的處理

基于PXI總線技術，NI PXI源測量單元輸出可編程的、精確的、穩定的電流，去驅動被測產品，使得產品的亮度由啟輝逐漸增大，到達設定值之后停止。同時調用相應的DLL動態鏈接庫［7］開發應用程序，實現對亮度計LC1300的訪問、控制及讀取等操作。由于對配光的準確率要求極高，所以經亮度儀采集的圖像仍然需要結合相應的算法進行進一步的處理，去除所采集圖像中不合理的部分，減小非亮度區域，獲得最大的平均亮度。通過結合OpenCV［8］及相關算法對圖像進行預處理，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。其中硬件驅動和圖像處理的部分代碼如下所示。

3　數據庫的選擇與設計

3.1數據庫的選擇

數據庫采用用于數據分析、開發軟件的關系型數據庫Microsoft Office Access［11］。該數據庫操作靈活、轉移方便、運行環境簡單且能夠存取Access/Jet、Microsoft SQL Server或者任何ODBC兼容數據庫內的資料。

3.2數據庫的設計

數據庫的使用可方便平臺對各類數據進行管理。數據庫中包含以下存儲內容：

（1）各類產品的I、L、U數據表；

（2）各類產品的U-I曲線（電氣數據）；

（3）各類產品的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）穩壓二極管庫（與庫房保持一致，需定期更新）；

（6）產品的信息（晝夜電壓值、亮度指標、配光電路參數）。

4　智能配光算法的設計

智能配光算法是平臺的關鍵技術之一，算法根據產品型號、批次等相關的信息，自動提取特征曲線里的必要數據，經過運算處理后，選擇物料，生成有效配光方案。具體算法設計方案為：

（1）開始，即算法入口；

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

（3）根據公式，選擇一個合理的DZ1（XML穩壓管庫）的值，DZ1值對應的封裝是否與產品下DZ1封裝相同，相同則進行下一步，不同則要返回重新選擇DZ1的值；

（4）根據公式 ，計算出R2的值，若庫中有R2的值，判斷R2值對應的封裝是否與產品下R2封裝相同，相同則進行下一步，不同則要返回重新選擇R2的值，若庫中沒有R2的值，則選擇一個接近R2的值，判斷此時R2值對應的封裝是否與產品下R2封裝相同，相同則進行下一步，不同則要返回重新選擇R2的值；

（5）根據公式確定R1的值，若庫中有R1的值，判斷R1值對應的封裝是否與產品下R1封裝相同，相同則進行下一步，不同則要返回重新選擇R1的值，若庫中沒有R1的值，則選擇一個接近R1的值，判斷此時R1值對應的封裝是否與產品下R1封裝相同，相同則進行下一步，不同則要返回重新選擇R1的值；

（6）根據計算得出的R1、R2、DZ1以及發光塊的特征曲線計算出最接近Ud、Un的U1’、I1’、U2’、I2’值，從而可以計算出對應的亮度Ld’、Ln’；

（7）根據之前手動輸入的Ld、Ln以及計算得出的Ld’、Ln’進行誤差計算，即 與 ，結果在誤差范圍內則生成配光方案，否則返回（3）重新進行DZ1值的選擇。

算法設計流程圖如圖4所示。

5　WinForm程序開發與界面顯示

利用VS2010完成WinForm［12］應用程序的開發，進行上位機人機交互界面的設計。運行Visual Studio 2010，在文件 菜單中單擊新建-項目，在新建項目窗口中選擇項目類Visual C#，指定模板為Windows窗體應用程序，指定項目名稱和解決方案名稱，點擊確定按鈕項目默認生成一個窗口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用程序所需要的控件，如:按鈕，數據表，文本框，打印等。如需要增加新的窗口，只需要在菜單項目中點擊添加Windows窗體添加新的窗口。通過相關C#腳本語言的編寫，控件的添加以及素材的整理，設計開發的系統界面如圖5所示（上位機的操作界面之一），從系統界面可以看出系統含有首頁、配光、數據、幫助等四個界面。在配光界面有實時，配光，方案打印等功能按鈕，有實時曲線表I-U、I-L以及實時數據表等功能結果顯示區。

圖4　算法設計流程圖

圖5　系統界面

6　結語

正是由于我國虛擬儀器的研究起步相對較晚，還有很多新功能新方法需要完善，同時隨著科學研究的不斷深入，虛擬儀器將會在航空電子測試領域中發揮越來越重要的作用。本文從硬件和軟件兩方面系統的描述了智能配光系統的設計與實現，利用虛擬儀器技術即“軟件就是儀器”的技術方法設計的智能配光系統滿足電子裝備測試功能的所有需求。通過實際的測試應用，該系統具有較高的可靠性和穩定性，系統運行情況良好，可以生成配光方案，精確地選擇所需物料，相對于傳統的人工手動配光，配光效率大大提高，配光的準確率也能夠達到95%以上，同時對于產品的亮度一致性驗證效率提高了200%。

綜上所述，該系統在實際應用中表現出了良好的效果，體現了智能配光系統的實用性、高效性和極強的抗干擾性，具有很好的應用前景。

［1］楊彪.民機駕駛艙光環境設計及視覺工效學研究［D］.上海：復旦大學，2011.

［2］舒秀麗，董文俊，董大勇.基于人機功效的民機駕駛設計原理［J］.航空工程進展，2015，6（2）：222-223.

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

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

［5］姜海波.虛擬儀器技術在高校教學中的應用［J］.中國現代教育裝備，2010（15）：53-54

［6］盧振達，陳建輝，張延生.基于PXI總線的某型導彈數字組合自動測試系統設計［J］.儀表技術，2009（4）：20-22.

［7］周立，蔣天發.C++Builder中DLL的創建及調用［J］.現代電子技術，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］張進猛，張進秋.基于OpenCV的圖像采集和處理［J］.軟件導刊，2010，9（1）：164-165.

［10］阮秋琦.數字圖像處理學［M］.北京:電子工業出版社，2007.

［11］崔再惠.Access數據庫與SQL Server數據庫主要功能的比較［J］.鞍山師范學院學報，2009，11（6）：51-52.

［12］劉輝，常婉綸.基于C#的WinForm程序參數傳遞和同步顯示實現［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，研究方向為智能系統與故障檢測

王坤（1978-），女，天津人，副教授，博士，研究方向為模式識別，智能系統與故障檢測、分析

2015-10-29

2015-11-19

針對民用飛機駕駛艙面板上告警燈盒采用人工手動的配光方式，既增加工作人員的負擔和工作量，又不易根據相關要求達到精準的配光。提出一種新型智能配光系統，闡述系統實現的關鍵技術，基于PXI總線的虛擬儀器技術，利用VS2010完成WinForm程序的開發，結合圖像處理算法、配光算法等，實現智能配光系統的集成。通過測試和應用，該系統大大提高配光的效率和準確率，為改善配光操作人機工效提供有效途徑，具有較強的實用性和創新性。

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.