基于CAN总线的多视觉传感器测控系统的设计.docx

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1、基于CAN总线的多视觉传感器测控系统的设计jiangf导语：本文给出了多视觉传感器测控系统的设计方法，实现了CAN总线在视觉检测系统中的应用。摘要：本文给出了多视觉传感器测控系统的设计方法，实现了CAN总线在视觉检测系统中的应用。介绍了视觉传感器、视频多路切换开关的硬件电路和CAN总线控制网络通讯的软件设计。关键词：CAN总线视觉检测视觉传感器视频多路切换开关1引言视觉检测技术是以机器视觉为根底的新型测试技术，因其具有测量非接触、速度快、信息量大、应用领域宽广等特点而受到欢送。构造光传感器是应用较早、开展较成熟的视觉传感器，因此本系统采用构造光传感器来收集图像并经图像收集卡送给计算机处理。由于

2、视觉传感器在视觉测量中担负着视频图像信号测量数据的收集、切换与传输。因此，怎样让视觉传感器测控系统快速、准确地获得理想的视频图像信息，进而为后期的图像处理提供可靠的支持，亦即视觉传感器的测控系统的设计显得尤为重要。2视觉系统的概述视觉检测系统中收集被测物体图像的视觉传感器有单目和双目两种之分，本测控系统可以使用单目视觉传感器也可以使用双目视觉传感器来收集数据，本文主要讨论由多个双目视觉传感器组成的多视觉传感器测控系统，其中的每个视觉传感器采用的是目前技术已经比拟成熟的线构造光视觉传感器，其构造是由双CCD摄像机、一个激光投射器和一块MCU控制电路组成，基于立体视差原理，利用两台摄像机来模拟实现

3、人眼的功能，利用空间点在两摄像机像面上的透视或者像点坐标来求取空间点的三维坐标。当被测工件较大需要不止一个视觉传感器时，上述多个视觉传感器加上多路视频切换开关就构成了多视觉传感器测控系统。如对汽车车身上的很多特征点进展检测时，就需要几十甚至上百个传感器来测量，由于控制器部分网CANcontrollerareanetwork总线具有很强的带负载才能，一个CAN网络上最多能接110个节点，所以本系统采用CAN总线进展通讯和网络控制。视觉传感器中MCU控制电路提供CCD摄像机、激光投射器的电源并且控制着它们的开启与关闭，为防止激光投射器使用时间过长激光器发热引起线构造光光能分布不稳进而影响测量精度，

4、当传感器开场测量时，先上电初始化，再翻开激光器，测量完毕后即关闭以延长投射器寿命。本系统中，上位机为PC机，下位机为8051单片机控制单元，上、下位机之间用CAN总线进展通讯，由于PC机中并不带CAN总线接口，因此必须一个CAN接口卡，这里选用广州周立功公司的USBCAN智能接口卡来通讯，因其具有体积小、外置且即插即用等特点。这样，PC可通过USB总线方便地连接至CAN总线网络控制各个CAN节点进展数据收集和处理。USBCAN智能CAN接口卡可以与ZLGCANTest通用CAN-bus测试软件连接运行，执行CAN-bus总线数据的接收、发送测试任务，较易于实现CAN-bus产品开发和数据分析。

5、USBCAN智能CAN接口卡采用周立功公司提供的通用的ZLGVCI驱动库，支持WIN98、2000和XP操纵系统并支持Linux平台。用户通过接口卡提供的ZLGVCI动态开发库可以方便快捷的开发出CAN系统应用产品。为了把模拟CCD相机输出的被测物体的模拟视频图像转换成数字信号并由计算机进展处理，这里采用了北京大恒图像公司的CG400型图像收集卡，其采用PCI总线，所收集的图像数据传输根本不占用CPU时间，并可将图像直接传送的计算机内存或者显存。3CAN总线简介CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决当代汽车中诸多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议，它是一种多主

6、总线，通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或者光导纤维。通讯速率可达1Mbps。CAN总线通讯接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通讯数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通讯数据块进展编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或者29位二进制数组成，因此可以定义211或者229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到一样的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可知足通常工业领域中控制命令

7、、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，进而保证了通讯的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通讯的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，十分合适工业经过监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公以为最有前途的现场总线之一。为了知足大尺寸物体的三维轮廓的检测，本系统要求最少能带64个传感器，每个视觉传感器里有两个摄像机，即共有128路视频输入，而任一时刻系统只选取其中一路视频图像传给计算机进展图像收集处理，如对汽车车身四周布置了几十个传感器来检测车身上关键尺寸如挡风玻璃窗尺寸、车门安装棱边缝隙、定位孔位置，测量

8、其相应的棱边、孔外表的空间位置尺寸。视觉传感器可以按要求顺序进展工作，也可以选取被测对象的特定点并通过CAN控制网络选择特定传感器来检测，计算机收集检测点图像并进展处理，将计算值与标准值比对，进而得出视觉检测的结果。4多视觉传感器的控制设计视觉传感器的控制电路主要包括视频切换、电源供应和CAN通讯接口三个局部。每个传感器里有两个CCD相机，即能同时收集两路视频输入，但任一时刻传感器只能输出一路视频信号，这里采用MAXIM公司的视频复用放大器max4313和max4315进展多路视频信号的切换传输，传感器内部用单片机控制max4313进展二选一视频切换，系统中多个传感器之间通太多个八选一视频切换

9、芯片max4315的级连来实现多视觉传感器的切换选择。多路视频切换开关电路能很好实现这一功能，P89C668单片机的P2口的三跟地址线控制max4315的三个地址端决定切换哪一路通道的视频信号。max4313和max4315是低功耗高速多路视频复用放大器，具有通道切换速度快40ns、切换瞬变低10mVp-p、差分增益误差低0.06、相位误差小0.02度等良好的视频特性，工作在410.5V的单电源双电源正负2V正负5.25V，本例中工作在正负5V的双电源下，为了减少干扰与传感器内部空间安装方便，电源电路与控制电路分开制作，分别放在投射器二边。由于视频信号频率较高，频带较宽，因此当两路视频信号相距

10、较近要留意干扰问题，时，轻易产生串扰，为了尽量减小串扰，电路设计时应留意以下几点：要把数字模块与视频切换模块在一个板子上分成二个区域，以及尽可能减少视频引线的长度并留意使用75欧姆匹配电阻，视频引线要使用带屏蔽层的视频同轴电缆75欧姆阻抗。5CAN总线通讯CAN总线是一个多主站现场总线，各节点都有权向其他节点发送信息，其协议简单，实时性强，可靠性及抗干扰才能好，总线利用率高，硬件本钱低。主要特点如下：1CAN总线的任一节点在任一时刻都主动向网络上其他节点发送数据而不分主从，通过优先级确定总线为哪一节点所占用，通讯灵敏。2CAN总线上的节点可通过设置分为不同的优先级，用来知足不同的实时性要求。3

11、CAN总线采用非破坏性总线仲裁，当多个节点同时向总线发送数据时，优先级低的节点主动停顿发送数据，退出竞争，而优先级高的节点将拥有总线使用权，继续发送数据。4CAN总线具有点对点，一点对多点及全局播送等多种数据通讯传送方式。5节点间通讯位速率与节点间间隔有关，总线最远通讯间隔为10km，此时通讯速率为5kbps，最大通讯速率能到达1Mbps通讯间隔40m内。6可根据报文的ID决定接收或者屏蔽该报文，发送的报文遭到破坏后可自动重发。7可靠的错误处理和检错机制，节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能。8报文不包含源地址和目的地址，仅用报文标志符来来指示功能信息和优先级信息。5.1CAN节点硬件

12、接口CAN总线接口硬件局部主要由微控制器、CAN控制器和CAN收发器构成。CAN控制器实现了CAN通讯中物理层和数据链路层的功能，提供了与微控制器和总线的物理线路接口，这样用户只需编写符合自己通讯和控制要求的应用层协议即可。本系统中微控制器使用Philips公司的8位增强型单片机P89C668，CAN控制器和总线驱动器用的分别是Philips公司的SJA1000、PCA82C250来构成典型的CAN通讯节点。电路的核心局部是P89C668单片机，它以80C51为内核，具有ISP在系统编程和IAP在应用编程功能的片内Flash存储器，片内BootROM包含底层FLASH编程子程序，以实现通过串行

13、口下载晋级程序，拥有8K字节RAM可外扩到64K和64K字节FLASH，还有4个中断优先级、8个中断源和4个8位I/O口，可方便地进展各种片内操纵和片外扩展。CAN控制器相对于微控制器来讲相当于一个存储器I/O映象设备，SJA1000片内有形式存放器、状态存放器、命令存放器、中断存放器和收、发存放器等。单片机就是通过读写这些存放器来实现对SJA1000的控制，芯片的TX0、TX1、RX0、RX1引脚用于CAN总线的接口，SJA1000的12M晶振由P89C668的外部晶振产生电路同时提供；PCA82C250是控制器与物理总线的接口，可提供对总线的差动发送和接收功能，其TXD、RXD引脚分别接收

14、和发送经驱动后的信号，再由CANH、CANL接至总线传输介质这里采用双绞线上，同时还要留意CANH、CANL之间要加上120欧姆的终端匹配电阻才能保证总线的正常通讯。5.2CAN节点的软件设计CAN总线智能节点的软件设计主要包括三个局部：CAN节点初始化、报文发送和报文接收。CAN节点的通讯本质上就是对CAN控制器内部各存放器进展读写，由于这些存放器或者发送、接收缓冲器均有确定的地址，CPU可通过外设访问指令对它们进展读写操纵。系统上电复位后，CPU对SJA1000的各个控制存放器写入相应控制字信息，以完成CAN控制器的初始化。本例中，系统软件采用构造化程序设计方法，程序具有较好的模块性和可移

15、植性，对于不同的检测系统和应用环境，可以方便地进展程序重组。编程语言采用单片机C语言KeilC51，它具有较高的效率，可读性好，可以有效减轻系统软件编程的工作量。CAN总线通讯的成功与否重点是SJA1000的初始化设置,初始化程序通过将CAN控制器的存放器写入控制字，确定CAN的工作方式。用P89C668的P2.7作为片选信号与SJA1000的CS引脚相连,SJA1000的片内存放器和P89C668单片机存放器是重叠编址的,因此SJA1000存放器寻址时要定义成片外RAM寻址。下面给出了CAN节点的初始化程序：Init_CanvoidMODE=0x09;file进入复位形式,对SJA1000进

16、展初始化;CDR=0x88；file选择PeliCan;CMR=0x0C；file去除数据溢出和释放接收缓冲器;IER=0x03；file开放接收中断和发送中断;ACR0=0x66；ACR1=0x66；ACR2=0x66；ACR3=0x66；file根据详细的协议定义设置验收码存放器;AMR0=0xFF；AMR1=0xFF；AMR2=0xFF；AMR3=0xFF；file根据详细的协议定义设置验收屏蔽存放器；BTR0=0x41；BTR1=0x1B；file12MHz晶振下,设置波特率为200kbps;OCR=0XAA；EWLR=0x60；RBSA=0x00；fileRX缓存器起始地址存放器设置

17、为0；TXERR=0x00；file发送错误接收器设置为0；ECC=0x00；MODE=0x08；file单向滤波方式,进入正常形式,初始化完毕;由于视觉传感器测控系统要进展视觉检测多为在线检测，实时性要求较强，这里各传感器节点采用中断接收方式接收上位机的控制命令，节点初始化后，当一帧信息经过出错检测确以为正确信息后装入接收缓冲器，SJA1000的INT脚会产生中断信号，该信号连接到单片机P89C668的外边中断0引脚，在外部中断0中断处理程序中判别该信息的标志符假如是本节点地址，便读出接收缓冲器的数据并保存在RAM中，中断接收程序框图如下：系统中发送报文采用查询方式，传感器节点在收到主控机的

18、数据恳求命令后发送数据，发送模块首先进展状态查询，断定总线是否空闲，如空闲，那么将目的节点地址写入发送标志符存放器，数据写入发送缓冲器，完成一帧CAN信息发送。CAN信息格式分为信息和数据两局部，头两个字节是信息局部，其前11位为标志符，标志符的前八位用作接收判定，应包含本信息包的目的节点地址，然后是一位RTR位0为数据帧，1为远程帧，本例使用数据帧，最后是四位的DLC。其余八个字节为是数据局部，存有实际要发送的数据。本例中只用到前两个数据，第一个表示传感器地址，第二个字节表示选择传感器里的两路摄像机中的哪一路收集图像。CAN节点之间通讯成功的另一个关键是波特率的设置，不仅CAN总线上的各下位

19、机节点要设置一样的波特率，总线与上位PC机相连的USBCAN接口卡也要有一样的波特率，这样才能保证通讯畅通。由于USBCAN接口卡内的CAN控制器SJA1000用的是16M晶振，而各传感器节点内的SJA1000与P89C668使用12M晶振，因此对于不同的通讯速率一定要计算出两种晶振都相一致的BTR0、BTR1来设置总线波特率。6完毕语本文主要着重于多视觉传感器控制系统的设计研究，目前系统软硬件已初步调试完成，并能做到各个视觉传感器的快速切换传输视频图像，且切换是图像抖动较小，效果较好。在系统应用于视觉检测之前还必须对各视觉传感器进展标定以及系统的总体标定，系统标定完成后即可投入使用。本系统的

20、精度主要由硬件决定，选用高精度、高分辨力的CCD摄像机和激光器，激光器投射出的线构造光越细光强分布越均匀，那么测量精度越高。测量精度高必然导致测量视场范围小，而传感器有效视场大小又与相机同激光器的摆放夹角以及摄像机的内部参数有关，限于篇幅这里不再赘述。鉴于CAN网络的优良性能，可以快速、可靠的交换信息，十分合适多通讯节点的互连，形成多主机控制器部分网。本文探究了它在多视觉传感器测控系统上的控制应用，本视觉系统不仅要有较好的网络扩展才能，在系统工作经过中增减一些传感器节点不会影响系统工作，只需对软件进展少量修改即可，针对不同测量目的，视觉传感器里的激光器还可以换成卤素灯传感器电路中预先留有电源接口，这样系统可很方便地面对不同测量任务。CAN总线驱动才能强、网络性能恰好，能知足不同测量系统的要求，系统节点数可灵敏调整而不影响系统的可靠性。CAN总线网络性价比拟高，可移植性强，本文所设计的多视觉传感器测控系统，已经成功应用于汽车车身在线视觉检测，而且稍作修改后可以适用于工业自动化领域中其他测量控制系统。