基于CAN总线的多视觉传感器测控系统的设计

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基础的新型测试技术，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迎。结构光传感器是应用较早、发展较成熟的视觉传感器，因此本系统采用结构光传感器来采集图像并经图像采集卡送给计算机处理。由于视觉传感器在视觉测量中担负着视频图像信号（测量数据）的采集、切换与传输。因此，如何让视觉传感器测控系统快速、精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
   视觉检测系统中采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采集数据，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较成熟的线结构光视觉传感器，其结构是由双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仿实现人眼的功能，利用空间点在两摄像机像面上的透视或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行检测时，就需要几十甚至上百个传感器来测量，由于控制器局部网CAN(controller area network)总线具有很强的带负载能力，一个CAN网络上最多能接110个节点，所以本系统采用CAN总线进行通讯和网络控制。
    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，为避免激光投射器使用时间过长激光器发热引起线结构光光能分布不稳从而影响测量精度，当传感器开始测量时，先上电初始化，再打开激光器，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总线进行通讯，由于PC机中并不带CAN总线接口，因此必需一个CAN接口卡，这里选用广州周立功公司的USBCAN智能接口卡来通信，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节点进行数据采集和处理。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。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操作系统并支持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行处理，这里采用了北京大恒图像公司的CG400型图像采集卡，其采用PCI总线，所采集的图像数据传输基本不占用CPU时间，并可将图像直接传送的计算机内存或显存。
3  CAN总线简介
   CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众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信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1Mbps。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，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，而代之以对通信数据块进行编码。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29位二进制数组成，因此可以定义211或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相同的数据，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，可满足通常工业领域中控制命令、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，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
   为了满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行图像采集处理，如对汽车车身周围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，测量其相应的棱边、孔表面的空间位置尺寸。视觉传感器可以按要求顺序进行工作，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，计算机采集检测点图像并进行处理，将计算值与标准值比对，从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、电源供给和CAN通讯接口三个部分。每个传感器里有两个CCD相机，即能同时采集两路视频输入，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进行多路视频信号的切换传输，传感器内部用单片机控制max4313进行二选一视频切换，系统中多个传感器之间通过多个八选一视频切换芯片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＋4~＋10.5V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较近要注意干扰问题，时，容易产生串扰，为了尽量减小串扰，电路设计时应注意以下几点：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注意使用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）。
5   CAN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，可靠性及抗干扰能力好，总线利用率高，硬件成本低。主要特点如下：
1）CAN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，通信灵活。
2）CAN总线上的节点可通过设置分为不同的优先级，用来满足不同的实时性要求。
3）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止发送数据，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。
4）CAN总线具有点对点，一点对多点及全局广播等多种数据通讯传送方式。
5）节点间通讯位速率与节点间距离有关，总线最远通讯距离为10km，此时通讯速率为5kbps，最大通讯速率能达到1Mbps（通讯距离40m内）。
6）可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文，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标地址，仅用报文标志符来来指示功能信息和优先级信息。
5.1  CAN节点硬件接口
    CAN总线接口硬件部分主要由微控制器、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。其硬件电路图如图3所示：
电路的核心部分是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Boot ROM包含底层FLASH编程子程序，以实现通过串行口下载升级程序，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，可方便地进行各种片内操作和片外扩展。CAN控制器相对于微控制器来说相当于一个存储器I/O映象设备，SJA1000片内有模式寄存器、状态寄存器、命令寄存器、中断寄存器和收、发寄存器等。单片机就是通过读写这些寄存器来实现对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，同时还要注意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。
5.2  CAN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部分：CAN节点初始化、报文发送和报文接收。CAN节点的通讯实质上就是对CAN控制器内部各寄存器进行读写，由于这些寄存器或发送、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行读写操作。系统上电复位后，CPU对SJA1000的各个控制寄存器写入相应控制字信息，以完成CAN控制器的初始化。本例中，系统软件采用结构化程序设计方法，程序具有较好的模块性和可移植性，对于不同的检测系统和应用环境，可以方便地进行程序重组。编程语言采用单片机C语言Keil C51，它具有较高的效率，可读性好，能够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控制器的寄存器写入控制字，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的片内寄存器和P89C668单片机寄存器是重叠编址的,因此SJA1000寄存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_Can (void)
  {   MODE = 0x09;  file://进入复位模式,对SJA1000进行初始化;
      CDR = 0x88；   file://选择PeliCan;
      CMR = 0x0C；  file://清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://根据具体的协议定义设置验收码寄存器;
      AMR0 = 0xFF；
      AMR1 = 0xFF；
      AMR2 = 0xFF；
      AMR3 = 0xFF； file://根据具体的协议定义设置验收屏蔽寄存器；
      BTR0 = 0x41；  
      BTR1 = 0x1B； file://12MHz晶振下,设置波特率为200kbps;            
      OCR  = 0XAA；      
      EWLR =0x60；      
RBSA = 0x00； file://RX缓存器起始地址寄存器设置为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,进入正常模式,初始化完毕;
   由于视觉传感器测控系统要进行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认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如果是本节点地址，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数据请求命令后发送数据，发送模块首先进行状态查询，判定总线是否空闲，如空闲，则将目的节点地址写入发送标志符寄存器，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部分，头两个字节是信息部分，其前11位为标志符，标志符的前八位用作接收判断，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部分，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采集图像。
   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总线上的各下位机节点要设置相同的波特率，总线与上位PC机相连的USBCAN接口卡也要有相同的波特率，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   结束语
   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行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，激光器投射出的线结构光越细光强分布越均匀，则测量精度越高。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，能够快速、可靠的交换信息，特别适合多通讯节点的互连，形成多主机控制器局部网。本文探索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能力，在系统工作过程中增减一些传感器节点不会影响系统工作，只需对软件进行少量修改即可，针对不同测量目标，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总线驱动能力强、网络性能恰好，能满足不同测量系统的要求，系统节点数可灵活调整而不影响系统的可靠性。CAN总线网络性价比较高，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，而且稍作修改后能够适用于工业自动化领域中其他测量控制系统。

【参考文献】
【1】邬宽明《CAN总线原理和应用系统设计》.北京:北京航空航天大学出版社,1996
【2】马忠梅 籍顺心 张开 马岩 《单片机的C语言应用程序设计》（第3版）.北京: 北京航空航天大学出版社,2003
【3】饶运涛,邹继军,郑勇芸 《现场总线CAN原理与应用技术》.北京: 北京航空航天大学出版社,2003
【4】80C51 8-bit Flash microcontroller family P89C66X,Philips Semiconductors APLICATION NOTE ,2001
【5】SJA1000 Stand-alone CAN controller, Philips Semiconductors APLICATION NOTE,1997.12
【6】阳宪惠《现场总线技术及其应用[M]》.北京：清华大学出版社，1999，6
【7】王庆友 孙学珠《CCD应用技术》（第1版）. 天津: 天津大学出版社,1993.3
【8】何立民《单片机应用技术选编》.北京：北京航空航天大学出版社，1999，8