基于CAN總線汽車車身視覺檢測站的研究

摘要：研究CAN總線和多主機(jī)控制在汽車白車身視覺監(jiān)測站中的應(yīng)用；提出以采用摩托羅拉MC68HC05X16和微機(jī)為主機(jī)的多主機(jī)分布式控制系統(tǒng)；介紹控制網(wǎng)絡(luò)的物理層接口及有關(guān)硬件，并對通信部分進(jìn)行較為詳細(xì)的研究。

關(guān)鍵詞：視覺檢測 三維測量 分布式控制 控制器局域網(wǎng) 數(shù)據(jù)通信

前言

汽車車身視覺檢測站是用于測量車身關(guān)鍵點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)的大型的專用檢測系統(tǒng)。它由機(jī)械及定位系統(tǒng)、三維視覺傳感器系統(tǒng)、測量控制與接口系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)軟件五大部分組成。主要方法采用結(jié)構(gòu)光傳感器，經(jīng)標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定后，通過控制系統(tǒng)選取被測點(diǎn)，采集圖像，結(jié)合視覺檢測算法，求出被測點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)。為進(jìn)行測量，必須把計(jì)算機(jī)與傳輸器聯(lián)系起來。檢測人員應(yīng)能通過計(jì)算機(jī)選擇測點(diǎn)，使傳感器按預(yù)先設(shè)定的順序進(jìn)入測量狀態(tài)，產(chǎn)生測量用的光條平面，還應(yīng)能夠隨時(shí)調(diào)整測量順序，并實(shí)現(xiàn)對光源的實(shí)時(shí)控制及圖像部分的多用戶采集。

控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）是一種具有很高保密性，有效支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線屬于現(xiàn)場總線范疇，與現(xiàn)有的其他總線相比，屬于一種分散式、數(shù)字化、雙向、多站點(diǎn)、多變量的通信系統(tǒng)，具有通信速率高、可靠性強(qiáng)、連接方便、性能價(jià)格比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適用于分布式測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

本文主要介紹CAN總線在視覺檢測站中的研究與應(yīng)用。

二、視覺檢測原理及視覺檢測站控制系統(tǒng)

汽車車身視覺檢測是目前正在發(fā)展的一種新型車身檢測方法。其主要原理是利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，采用主動(dòng)三角法獲取車身表面點(diǎn)的信息，通過三維視覺算法求取各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，從而完成對車身各頂點(diǎn)位置、擋風(fēng)玻璃框尺寸、定位孔大小及位置、車門安裝處棱邊位置及走向等主要參數(shù)的測量。

由于汽車車身長寬高都是幾m(米)范圍，被測點(diǎn)一般都要求在50個(gè)以上，網(wǎng)絡(luò)布線要求300m以上，此外控制系統(tǒng)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)對檢測站中的機(jī)械及定位系統(tǒng)的控制。整個(gè)控制系統(tǒng)應(yīng)具有一定的擴(kuò)展和適應(yīng)能力，以便于其他控制單元的加入。

本系統(tǒng)中，針對不同的測量對象，采用不同類型的傳感器，總數(shù)在50臺以上。檢測站的控制系統(tǒng)應(yīng)能對這些傳感器的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以使其動(dòng)作相互協(xié)調(diào)。另外，本測量系統(tǒng)將用于汽車生產(chǎn)線，車身先由吊車放到運(yùn)放小車上，然后由小車運(yùn)送到檢測站內(nèi)。吊車及運(yùn)送小車由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它們的動(dòng)作應(yīng)該既可以通過主機(jī)鍵盤控制，也可以通過檢測站中的控制柜直接控制。由于以上各方面的考慮，我們決定采用CAN總線作為本控制網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)。

二、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與CAN總線

在車身檢測站中，對各傳感器的數(shù)據(jù)采集及圖像處理等工作主要由CP機(jī)完成，為操作方便，對機(jī)械部分的控制還應(yīng)能通過控制臺進(jìn)行。本系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)多（50個(gè)以上），可靠性要求高，傳統(tǒng)的集中控制方式雖然功能集中、速度較快，但具有硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、現(xiàn)場布線困難、擴(kuò)展能力低等缺點(diǎn)，所以我們采用單片機(jī)作為直接控制單元，用于對傳感器的直接控制。每個(gè)單片機(jī)都是控制網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)直接掛接在數(shù)據(jù)總線上。PC機(jī)和控制框也同樣各和為一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛接在總線上，即控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有多主機(jī)控制能力。所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用多主機(jī)結(jié)構(gòu)，即每一個(gè)節(jié)點(diǎn)也是一個(gè)主機(jī)，通過主機(jī)間的通信以實(shí)現(xiàn)控制要求。為此，我們決定采用總線型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用CAN靈活方便、支持多主機(jī)方式等特點(diǎn)，建立控制網(wǎng)絡(luò)。不難看出，只要解決好“碰撞”問題，這種方法有結(jié)構(gòu)簡單、安全系數(shù)高、靈活性好、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以充分滿足本檢測站的控制要墳?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

現(xiàn)有微機(jī)一般都配有兩個(gè)串行接口，其機(jī)械特性和電器特性均符合RS-232C標(biāo)準(zhǔn)。由于RC-232C標(biāo)準(zhǔn)采用單端電路，極易引入附加電平，并且負(fù)載電容不能大于2500pF，傳輸距離和速度都非常有限；而CAN總線這些方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過RS-232C。CAN總線是一個(gè)智能化的總線，具有自我管理的功能，能夠有效地支持多主機(jī)分布式控制，能夠良好地解決“碰撞”問題，并具有傳輸速率高（可達(dá)1Mbps）、傳輸距離長（可達(dá)1000m）、信號的傳輸精度高（0.01%）等優(yōu)點(diǎn)。另外，采用循環(huán)冗余CRC校驗(yàn)及獨(dú)特的數(shù)據(jù)信號表示，使其具有錯(cuò)誤判別及自動(dòng)重發(fā)功能，漏檢錯(cuò)誤概率低于5×10 -11。所以，我們采用了CAN總線。由于CAN總線優(yōu)良的性能和智能化的管理，保證了整個(gè)檢測站在惡劣環(huán)境下的正常工作。

在信道訪問控制上，采用主從式與自由競爭式相結(jié)合的放手式通信方法，即以PC主處理機(jī)和控制臺作為主控制節(jié)點(diǎn)，兩主控節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級與節(jié)點(diǎn)標(biāo)總符相對應(yīng)，主控節(jié)點(diǎn)命令及信息的送可通過外部設(shè)置約定，也可通過自由競爭實(shí)現(xiàn)。

在PC機(jī)方面，采用接口卡使PC機(jī)跨入總線，其接口電路如圖3所示。這里，并行接口采用8255A可編程外圍接口芯片，接口邏輯及CAN轉(zhuǎn)換主要由MC68HC05X16單片機(jī)控制。工作中，信息由PC機(jī)數(shù)據(jù)總線送出，經(jīng)8255A的PA口進(jìn)入單片機(jī)，在單片機(jī)的控制下將并行輸入的信號轉(zhuǎn)換為CAN總線輸出。這里，采用16V8的GAL進(jìn)行地址譯碼并實(shí)現(xiàn)部分邏輯關(guān)系。

在傳感器和控制框通信接口方面，選用了MC68HC05X16單片機(jī)。由于MC68HC05X16自身帶CAN接口，簡化了硬件設(shè)計(jì)，減少了系統(tǒng)故障，增加了通信的可靠性與安全性。本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為128個(gè)節(jié)點(diǎn)（可以設(shè)計(jì)為更多），可以充分滿足檢測站50個(gè)節(jié)點(diǎn)的要求，并且可以進(jìn)一步擴(kuò)展，加入新的檢測設(shè)備和檢測點(diǎn)。

三、CAN總線通信協(xié)議

針對測量系統(tǒng)的需要，我們采用了多主機(jī)通信方式。該方式可以充分發(fā)揮每個(gè)主機(jī)的作用，很容易使各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立起數(shù)據(jù)聯(lián)系，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都可以根據(jù)需要進(jìn)行通信。通信與控制都非常簡單，可以充分滿足本檢測站迅速、可靠、實(shí)時(shí)性的要求。根據(jù)檢測系統(tǒng)的需要和CAN幀結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)結(jié)合測量傳感器和控制柜的功能要求，我們對網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)中，CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并采取位仲裁的方式對總線進(jìn)行訪問，即在報(bào)文起始部分發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)總符。CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的仲裁場有11個(gè)位標(biāo)識符，它主要用于解決總線上的碰撞問題。數(shù)據(jù)幀標(biāo)識符越小，數(shù)據(jù)幀具有越高的優(yōu)先權(quán)。也就是說，當(dāng)兩幀數(shù)據(jù)同時(shí)由高位向低位發(fā)送時(shí)，一旦有不同的電平，發(fā)更新“凹槽”電平（recessive level）的數(shù)據(jù)幀將停止發(fā)送，而發(fā)送“主控”電平（dominant level）的數(shù)據(jù)幀將繼續(xù)發(fā)送，這樣，CAN總線自身就解決了碰撞問題。我們在每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)8位DIP開關(guān)，通過這個(gè)開關(guān)可以方便地改變傳感器地址，并且，以它代表的數(shù)據(jù)作為該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識符的高8位。這樣，地址越小的節(jié)點(diǎn)，其發(fā)送的數(shù)據(jù)就具有越高的優(yōu)先權(quán)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的重要性安排地址，有效地解決了碰撞和優(yōu)先權(quán)的問題。

四、采用CAN總線的過程控制軟件

根據(jù)檢測系統(tǒng)的需要，將指令分為通用指令和尋址指令：通用指令是旨所有收到指令的節(jié)點(diǎn)都要執(zhí)行的指令；尋址指令是指收到指令的節(jié)點(diǎn)只有相應(yīng)地址的節(jié)點(diǎn)才執(zhí)行的指令。由于CAN總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀最多可帶有8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，們將第一個(gè)字節(jié)作為地址（127為通用的地址，帶有通用指令的數(shù)據(jù)幀第一個(gè)字節(jié)為127），第二個(gè)字節(jié)作為指令字節(jié)，用于表示節(jié)點(diǎn)所要執(zhí)行的動(dòng)作。表1為本系統(tǒng)中所用到的部分代碼及其意義。

表1 本系統(tǒng)部分指令代碼

對于不同的節(jié)點(diǎn)，有時(shí)有些操作應(yīng)對其封鎖，甚至應(yīng)禁止操作（如測量時(shí)應(yīng)禁止對控制柜操作）因此，我們設(shè)立了遠(yuǎn)地封鎖/解封及相應(yīng)的近地封鎖/解封命令。封鎖后的節(jié)點(diǎn)只有解封后，才近地封鎖/解封命令。封鎖后的節(jié)點(diǎn)只有解封后，才能夠繼續(xù)執(zhí)行指令。我們在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)立有控制開關(guān)，以便通過本地操作實(shí)現(xiàn)近地封鎖/解封命令。這樣，就進(jìn)一步減少了本系統(tǒng)的誤操作，增加了系統(tǒng)的安全性。圖4、圖5分別為傳感器、控制柜方面的工作流程圖。

為了能夠準(zhǔn)確掌握各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并作出相應(yīng)調(diào)整，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)有節(jié)點(diǎn)狀態(tài)字。通過通信，可以讓節(jié)點(diǎn)報(bào)告各自的工作狀態(tài)。如出現(xiàn)故障或非法操作，則通過PC機(jī)報(bào)警，并且PC機(jī)定期查詢各節(jié)點(diǎn)，如發(fā)現(xiàn)通信故障，則報(bào)警。

結(jié)束語

為了測試本系統(tǒng)的通信能力及抗干擾性，我們將通信線路置于強(qiáng)干擾環(huán)境中，經(jīng)連續(xù)測試實(shí)驗(yàn)，在500m傳輸距離、2Mbps傳輸速率下，完全可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

本系統(tǒng)用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Field Bus Control System）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Conutrol System），實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。由于采用CAN總線，支持多主機(jī)方式，具有非破壞性的錯(cuò)誤界定。CAN沒有定義物理層的驅(qū)動(dòng)器、接收器特性，便于用戶根據(jù)具體需要對發(fā)送媒體和總線的電平進(jìn)行定義，使網(wǎng)絡(luò)功能十分靈活。通過軟件的編寫，可以完成十分強(qiáng)大的功能，并可以進(jìn)行擴(kuò)展，這對于檢測站功能的進(jìn)一步完善及其他控制工作的完成，有著十分重要的意義。