電子定量包裝秤自動化二次校準系統設計

程 林

（福建省計量科學研究院， 福建 福州 350001）

0 引 言

在進行工業生產時，很多生產環節都會涉及到包裝稱重問題，如醫療產品配料過程、速食產品以及動物飼料的包裝過程、礦石物料生產過程等[1-3]。在實際工作中，電子定量包裝秤通過接收傳感器信號對稱重過程中的參數量值實施合理示值。電子定量包裝秤在實際應用過程中，應用效果受其自身工作性能優劣狀況影響，若其工作性能不良，極易導致所生產產品質量下降[4-5]。基于此，對電子定量包裝秤定期實施計量校準是實際工作中非常重要的一項內容，通過有效地計算校準操作，可使其能夠滿足實際工作需求。

針對上述問題，近年來國內外諸多學者研究設計了大量行之有效的電子定量包裝秤自動化二次校準方法或系統。唐靜宜等研究了基于圖像識別的電子定量包裝秤讀數識別與校準方法，即通過圖像識別技術識別電子定量包裝秤讀數，經合理分析、解算等一系列操作后，通過一種多功能讀數校正裝置實現電子定量包裝秤自動化二次校準[6]。唐思豪等采用ADAM 優化器對多層BP 神經網絡實施合理優化，提出一種基于ADAM 改進BP 神經網絡的電子定量包裝秤讀數識別與校準方法，利用優化后的多層BP 神經網絡實現對電子定量包裝秤讀數的自動化校準，獲得更為準確的電子定量包裝稱量結果[7]。

以往研究成果普遍實現了電子定量包裝秤自動化二次校準，但是校準效果不夠理想。將虛擬儀器技術應用于電子定量包裝秤自動化二次校準工作中，可使電子定量包裝秤自動化二次校準工作效果得到顯著提升。為此，本文基于該技術對電子定量包裝秤自動化二次校準系統實施合理設計，以更好地滿足實際工作需要。

1 電子定量包裝秤二次校準系統

1.1 硬件設計

為了使電子定量包裝稱量以及控制系統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對電子定量包裝秤自動化二次校準系統進行合理設計，其實質就是通過機器視覺代替人眼計量，實現對電子定量包裝秤的自動化校準。依托該技術設計的電子定量包裝秤自動化二次校準系統總體架構如圖1 所示。

圖1 電子定量包裝秤自動化二次校準系統總體架構

圖1 中，充分利用RJ 45 接口，通過計算機程序將有必要復現的重量值發送至Anritsu MT1100A Network Master Pro 標準器內，而后由標準器將其輸出，并通過連接導線建立與電子定量包裝秤間的有效連接。基于Advantech PCI-1713U 8 通道高速PCI 多功能數據采集卡，待電子定量包裝秤所顯示測量值達到穩定狀態后，相應的計算機程序對攝像頭發出相應指令，令其對電子定量包裝秤測量值顯示圖像，執行合理采集操作，并將采集完成后的圖像數據由網絡通信模塊上傳至校準中心的數據預處理模塊，由數據預處理模塊使用中值濾波方法對所得到的圖像數據執行去噪操作。去噪工作完成后，將去噪后的數據放入數據接收與存儲模塊實施合理存儲，計量校準模塊通過調用由數據接收與存儲模塊存儲的電子定量包裝秤測量數據，使用基于機器視覺的校準技術對電子定量包裝秤實施合理計量校準，并將最終校準結果發送給遠程上位機實施合理顯示。若有打印需要，可通過打印機打印相應的電子定量包裝秤測量校準數據。

1.2 顯示圖像采集模塊設計

應用合適的數據采集技術對示值界面圖像實施合理采集，是進一步完成電子定量包裝秤自動化校準工作的首要前提。鑒于FPGA 芯片強大的數據處理與控制能力[8-9]，本文基于FPGA 芯片對圖像采集模塊進行合理設計，用于完成示值界面圖像采集工作。基于FPGA 芯片的圖像采集模塊架構如圖2 所示。

圖2 基于FPGA 芯片的圖像采集模塊架構

圖2 中，對SCCB 總線執行合理的協議編寫操作，并利用其對型號為OV5640 的圖像傳感器執行初始性配置操作，使其輸出的示值界面圖像數據流的格式為RGB565 格式。等到圖像傳感器初始性設置工作完成后，FPGA 主控芯片（如Stratix 10 GX）接收由圖像傳感器發送來的示值界面圖像，并放入其內部的FIFO 存儲單元實施合理存儲緩存。當在該存儲單元中緩存的示值界面圖像達到以太網一次發送量時，由以太網將其發送給上位機，并完成相應顯示操作。

1.3 軟件設計

1.3.1 定量包裝秤顯示圖像去噪

在示值界面圖像到達校準中心后，應首先使用合理的預處理方法對其實施預處理，放入數據接收與存儲模塊實施相應存儲，從而顯著提升示值界面圖像的質量，得到更為理想的電子定量包裝秤自動化二次校準效果。

中值濾波算法實質上隸屬于非線性類平滑濾波算法范疇，它把各像素點所擁有的灰度值當成與該像素點某個鄰域性窗口中全部像素點擁有灰度值的中間值[10-13]。對示值界面圖像中的噪聲數據執行平滑濾波操作時，首要任務是在含噪聲的示值界面圖像信號中，將點(i,j)當成中心位置的濾波窗口Q2[f(i,j)]，找到與該窗口相對應的像素灰度中值點MedianQ2[f(i,j)]；而后使該窗口中全部點都把MedianQ2[f(i,j)]當成有效基準，對窗口中所有像素點執行加權系數求解操作；最終通過對Q2[f(i,j)]中各像素點所擁有的灰度值與其所對應像素權值的積執行有效求和操作獲得輸出，并將其當成新獲得的點(i,j)的灰度值，完成相應的示值界面圖像去噪工作。利用中值濾波算法對示值界面圖像執行去噪的過程用公式可描述為：

1.3.2 二次校準

根據以往經驗并結合實際電子定量包裝稱量工作狀況，本文決定在校準中心的計量校準模塊使用基于機器視覺的校準技術對電子定量包裝秤實施自動化校準。校準流程可簡單歸結如下：

1） 為更好地適應計算機程序，降低計算機運算復雜度，對示值界面圖像執行灰度化操作。對示值界面圖像執行灰度化操作，實際上就是對含彩色信息的示值界面圖像執行亮度轉化操作。灰度化過程為：

式中：G?為灰度值；R、G、B為紅、綠、藍三個顏色的有效分量。

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

3） 通過OCR 軟件對示值界面圖像中的儀表讀數進行特征提取和識別。

4） 電子定量包裝秤誤差范圍確定[14-15]。在通過步驟3）得到讀數后，可通過下式獲得校準時的誤差量，其求解過程用公式表示為：

式中：顯示的重量值用hd標記；電子定量包裝秤校準器檢測出的重量值用hs標記；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。

在經過合理測量獲取相關數據后，代入到式（4）便可明確該電子定量包裝秤的誤差范圍。依據該誤差量可以對電子電量包裝秤的精度實施合理判斷，還可以依據該判斷結果二次校準電子電量包裝秤讀數。

2 實驗與分析

以湖北省某電子衡器生產公司生產的某型號電子定量包裝秤為實驗對象，應用本文系統對其實施自動化校準，驗證本文系統的有效性。在實驗環境中安裝了計算機以及相應的通信網絡，以此保證電子定量包裝秤的運行數據能夠被計算機成功接收。因在本文中使用了機器視覺技術對電子定量包裝秤實施自動化校準，故在實驗環境中還安裝了光源以及光學鏡頭、工業CCD 相機等與機器視覺技術相關的運行類設備，工業CCD 相機規格以及各項技術參數情況如表1 所示。

表1 CCD 相機規格以及技術參數

應用本文系統對采集的示值界面圖像實施合理去噪，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，應用本文系統對采集的示值界面圖像執行去噪操作后，圖像中的噪聲元素已基本被去除，說明本文系統可為實際電子定量包裝秤自動化校準工作提供更高質量的數據保障。

應用本文系統對示值界面圖像執行合理灰度化操作，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，應用本文系統可實現示值界面圖像灰度化，使其更好地適應計算機程序，進而有效提升電子定量包裝秤自動化二次校準工作的效率。應用本文系統對電子定量包裝秤實施自動化校準，獲得的電子定量包裝秤自動化二次校準結果如表2 所示。

表2 包裝秤自動化二次校準結果

從表2 可以看出，應用本文系統可以實現電子定量包裝秤自動化二次校準，并且校準后效果較好，校準后讀數更接近稱重貨物實際重量，可更好地滿足實際工作需要。

3 結 論

本文合理設計一種電子定量包裝秤自動化二次校準系統，可實現對電子定量包裝秤的自動化校準，且校準效果較理想，極大地保障了電子定量包裝稱量工作的順利進行。將該系統推廣使用于實際生產工作中，能對實際工作產生積極的影響。