电子定量包装秤自动化二次校准系统设计

程 林

（福建省计量科学研究院， 福建 福州 350001）

0 引 言

在进行工业生产时，很多生产环节都会涉及到包装称重问题，如医疗产品配料过程、速食产品以及动物饲料的包装过程、矿石物料生产过程等[1-3]。在实际工作中，电子定量包装秤通过接收传感器信号对称重过程中的参数量值实施合理示值。电子定量包装秤在实际应用过程中，应用效果受其自身工作性能优劣状况影响，若其工作性能不良，极易导致所生产产品质量下降[4-5]。基于此，对电子定量包装秤定期实施计量校准是实际工作中非常重要的一项内容，通过有效地计算校准操作，可使其能够满足实际工作需求。

针对上述问题，近年来国内外诸多学者研究设计了大量行之有效的电子定量包装秤自动化二次校准方法或系统。唐静宜等研究了基于图像识别的电子定量包装秤读数识别与校准方法，即通过图像识别技术识别电子定量包装秤读数，经合理分析、解算等一系列操作后，通过一种多功能读数校正装置实现电子定量包装秤自动化二次校准[6]。唐思豪等采用ADAM 优化器对多层BP 神经网络实施合理优化，提出一种基于ADAM 改进BP 神经网络的电子定量包装秤读数识别与校准方法，利用优化后的多层BP 神经网络实现对电子定量包装秤读数的自动化校准，获得更为准确的电子定量包装称量结果[7]。

以往研究成果普遍实现了电子定量包装秤自动化二次校准，但是校准效果不够理想。将虚拟仪器技术应用于电子定量包装秤自动化二次校准工作中，可使电子定量包装秤自动化二次校准工作效果得到显著提升。为此，本文基于该技术对电子定量包装秤自动化二次校准系统实施合理设计，以更好地满足实际工作需要。

1 电子定量包装秤二次校准系统

1.1 硬件设计

为了使电子定量包装称量以及控制系统在灵活性以及功能性方面得到显著提升，依托于虚拟仪器技术对电子定量包装秤自动化二次校准系统进行合理设计，其实质就是通过机器视觉代替人眼计量，实现对电子定量包装秤的自动化校准。依托该技术设计的电子定量包装秤自动化二次校准系统总体架构如图1 所示。

图1 电子定量包装秤自动化二次校准系统总体架构

图1 中，充分利用RJ 45 接口，通过计算机程序将有必要复现的重量值发送至Anritsu MT1100A Network Master Pro 标准器内，而后由标准器将其输出，并通过连接导线建立与电子定量包装秤间的有效连接。基于Advantech PCI-1713U 8 通道高速PCI 多功能数据采集卡，待电子定量包装秤所显示测量值达到稳定状态后，相应的计算机程序对摄像头发出相应指令，令其对电子定量包装秤测量值显示图像，执行合理采集操作，并将采集完成后的图像数据由网络通信模块上传至校准中心的数据预处理模块，由数据预处理模块使用中值滤波方法对所得到的图像数据执行去噪操作。去噪工作完成后，将去噪后的数据放入数据接收与存储模块实施合理存储，计量校准模块通过调用由数据接收与存储模块存储的电子定量包装秤测量数据，使用基于机器视觉的校准技术对电子定量包装秤实施合理计量校准，并将最终校准结果发送给远程上位机实施合理显示。若有打印需要，可通过打印机打印相应的电子定量包装秤测量校准数据。

1.2 显示图像采集模块设计

应用合适的数据采集技术对示值界面图像实施合理采集，是进一步完成电子定量包装秤自动化校准工作的首要前提。鉴于FPGA 芯片强大的数据处理与控制能力[8-9]，本文基于FPGA 芯片对图像采集模块进行合理设计，用于完成示值界面图像采集工作。基于FPGA 芯片的图像采集模块架构如图2 所示。

图2 基于FPGA 芯片的图像采集模块架构

图2 中，对SCCB 总线执行合理的协议编写操作，并利用其对型号为OV5640 的图像传感器执行初始性配置操作，使其输出的示值界面图像数据流的格式为RGB565 格式。等到图像传感器初始性设置工作完成后，FPGA 主控芯片（如Stratix 10 GX）接收由图像传感器发送来的示值界面图像，并放入其内部的FIFO 存储单元实施合理存储缓存。当在该存储单元中缓存的示值界面图像达到以太网一次发送量时，由以太网将其发送给上位机，并完成相应显示操作。

1.3 软件设计

1.3.1 定量包装秤显示图像去噪

在示值界面图像到达校准中心后，应首先使用合理的预处理方法对其实施预处理，放入数据接收与存储模块实施相应存储，从而显著提升示值界面图像的质量，得到更为理想的电子定量包装秤自动化二次校准效果。

中值滤波算法实质上隶属于非线性类平滑滤波算法范畴，它把各像素点所拥有的灰度值当成与该像素点某个邻域性窗口中全部像素点拥有灰度值的中间值[10-13]。对示值界面图像中的噪声数据执行平滑滤波操作时，首要任务是在含噪声的示值界面图像信号中，将点(i,j)当成中心位置的滤波窗口Q2[f(i,j)]，找到与该窗口相对应的像素灰度中值点MedianQ2[f(i,j)]；而后使该窗口中全部点都把MedianQ2[f(i,j)]当成有效基准，对窗口中所有像素点执行加权系数求解操作；最终通过对Q2[f(i,j)]中各像素点所拥有的灰度值与其所对应像素权值的积执行有效求和操作获得输出，并将其当成新获得的点(i,j)的灰度值，完成相应的示值界面图像去噪工作。利用中值滤波算法对示值界面图像执行去噪的过程用公式可描述为：

1.3.2 二次校准

根据以往经验并结合实际电子定量包装称量工作状况，本文决定在校准中心的计量校准模块使用基于机器视觉的校准技术对电子定量包装秤实施自动化校准。校准流程可简单归结如下：

1） 为更好地适应计算机程序，降低计算机运算复杂度，对示值界面图像执行灰度化操作。对示值界面图像执行灰度化操作，实际上就是对含彩色信息的示值界面图像执行亮度转化操作。灰度化过程为：

式中：G‴为灰度值；R、G、B为红、绿、蓝三个颜色的有效分量。

2） 示值界面图像感兴趣区域定位与二值化处理。在完成示值界面图像灰度化工作后，对图像感兴趣区域定位，并定义一个临界性灰度阈值，将大于与小于该值的像素灰度分别当成灰度G‴最大值与最小值，从而完成相应的二值化工作，获得示值界面图像前景、背景信息。

3） 通过OCR 软件对示值界面图像中的仪表读数进行特征提取和识别。

4） 电子定量包装秤误差范围确定[14-15]。在通过步骤3）得到读数后，可通过下式获得校准时的误差量，其求解过程用公式表示为：

式中：显示的重量值用hd标记；电子定量包装秤校准器检测出的重量值用hs标记；g″表示重量变化率；b表示电子定量包装秤分辨力；e表示修正值。

在经过合理测量获取相关数据后，代入到式（4）便可明确该电子定量包装秤的误差范围。依据该误差量可以对电子电量包装秤的精度实施合理判断，还可以依据该判断结果二次校准电子电量包装秤读数。

2 实验与分析

以湖北省某电子衡器生产公司生产的某型号电子定量包装秤为实验对象，应用本文系统对其实施自动化校准，验证本文系统的有效性。在实验环境中安装了计算机以及相应的通信网络，以此保证电子定量包装秤的运行数据能够被计算机成功接收。因在本文中使用了机器视觉技术对电子定量包装秤实施自动化校准，故在实验环境中还安装了光源以及光学镜头、工业CCD 相机等与机器视觉技术相关的运行类设备，工业CCD 相机规格以及各项技术参数情况如表1 所示。

表1 CCD 相机规格以及技术参数

应用本文系统对采集的示值界面图像实施合理去噪，获得的示值界面图像去噪效果如图3 所示。

图3 包装秤显示图像去噪效果

从图3 可以看出，应用本文系统对采集的示值界面图像执行去噪操作后，图像中的噪声元素已基本被去除，说明本文系统可为实际电子定量包装秤自动化校准工作提供更高质量的数据保障。

应用本文系统对示值界面图像执行合理灰度化操作，得到的示值界面图像灰度化效果如图4 所示。

图4 图像灰度化效果

分析图4 可知，应用本文系统可实现示值界面图像灰度化，使其更好地适应计算机程序，进而有效提升电子定量包装秤自动化二次校准工作的效率。应用本文系统对电子定量包装秤实施自动化校准，获得的电子定量包装秤自动化二次校准结果如表2 所示。

表2 包装秤自动化二次校准结果

从表2 可以看出，应用本文系统可以实现电子定量包装秤自动化二次校准，并且校准后效果较好，校准后读数更接近称重货物实际重量，可更好地满足实际工作需要。

3 结 论

本文合理设计一种电子定量包装秤自动化二次校准系统，可实现对电子定量包装秤的自动化校准，且校准效果较理想，极大地保障了电子定量包装称量工作的顺利进行。将该系统推广使用于实际生产工作中，能对实际工作产生积极的影响。