基于CAN總線(xiàn)的自動(dòng)光學(xué)檢測通信系統設計

　　在現代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗、生產(chǎn)監控及零件測量、識別應用等環(huán)節，然而通常人眼很難連續、穩定地完成這些帶有高度重復性和智能性的工作，一般物理量傳感器也較難實(shí)現這些功能。而利用光電成像系統采集被檢測目標的圖像，并經(jīng)計算機或專(zhuān)用的圖像處理模塊進(jìn)行數字化處理。與一般圖像處理系統相比，自動(dòng)光學(xué)檢測更強調精度、速度，以及工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境下的可靠性。因此，這里提出一種基于CAN總線(xiàn)的自動(dòng)光學(xué)檢測通信系統設計方案，該系統設計能夠滿(mǎn)足PCB自動(dòng)光學(xué)檢測控制系統的指標要求。

　　1 自動(dòng)光學(xué)檢測通信系統分析

　　自動(dòng)光學(xué)檢測系統具有快速準確、可重復性強以及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)的出現極大地減輕了人工檢測的壓力，解決了傳統人工檢測中的許多問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的檢測質(zhì)量和速度，為工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)檢測提供了革命性的解決方案。

　　分布式的現場(chǎng)總線(xiàn)能同時(shí)滿(mǎn)足過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化的需要，成為了該自動(dòng)光學(xué)檢測系統的最佳選擇。分布式的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統比集散型控制系統更好地體現了 “信息集中、控制分散”的特點(diǎn)。且分布式控制系統在適用范圍、可擴展性、控制速度、系統模塊化、可維護性、抗單點(diǎn)故障等方面具有明顯優(yōu)勢。

　　控制器局域網(wǎng)(CAN)總線(xiàn)是一種在工業(yè)控制中應用的總線(xiàn)，帶寬利用率高，糾錯能力強，并且廢除了傳統的站地址編碼，采用對通信數據塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作；運用非破壞性仲裁技術(shù)，有效避免了總線(xiàn)沖突；短幀結構，數據傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短；每幀數據都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性，適用于高干擾環(huán)境下；節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下，具有自動(dòng)

　　關(guān)閉總線(xiàn)功能，使總線(xiàn)上其他操作不受影響；可以點(diǎn)對點(diǎn)，一對多及廣播集中方式傳送和接收數據。因此，CAN總線(xiàn)滿(mǎn)足該控制系統的數據總線(xiàn)要求。

　　本設計采用英飛凌開(kāi)發(fā)的16位微控制器系列中的XCl64CS為控制器，并成功地將其應用到PCB板面缺陷自動(dòng)光學(xué)檢測儀的控制系統。

　　2 通信系統總體設計方案

　　2．1 系統組成原理

　　自動(dòng)光學(xué)檢測系統由上板部分、掃描正面、掃描反面、分揀1、分揀2以及主機共6部分組成，整個(gè)系統使用的電機有5類(lèi)共19個(gè)、氣缸11個(gè)以及各類(lèi)傳感裝置若干。整個(gè)系統架構如圖1所示。

　　由于整個(gè)控制系統對實(shí)時(shí)性、穩定性以及協(xié)調性要求很高，整個(gè)控制模式分為制作標準板模式、單步運行模式以及檢測模式，對于模式間轉換的靈活性要求也很高。而分布式控制系統因其具有高可靠性、開(kāi)放性、靈活性、協(xié)調性、控制功能齊全和易于維護等特點(diǎn)，完全滿(mǎn)足本控制系統的要求。

　　分布式控制系統使用較多的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構有星型、環(huán)型和總線(xiàn)型3種。其中星型結構(中央控制型)中所有通信都經(jīng)中央控制節點(diǎn)，若中央控制節點(diǎn)有故障，則整個(gè)系統就會(huì )癱瘓；環(huán)型結構中相鄰控制節點(diǎn)順序連接，形成環(huán)路，信息一般僅以一個(gè)方向在環(huán)上從源節點(diǎn)傳送到目的節點(diǎn)，發(fā)生故障時(shí)可支持雙向傳輸，但環(huán)路一般封閉，不利于節點(diǎn)的擴充；而總線(xiàn)型結構的所有節點(diǎn)都共享一個(gè)公共的物理通道(即總線(xiàn))，因此網(wǎng)絡(luò )上的任意一個(gè)節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò )上的其他節點(diǎn)發(fā)送信息，且具有延遲小、速度快、易擴展、單個(gè)節點(diǎn)故障影響小的優(yōu)點(diǎn)。因此，該控制系統采用總線(xiàn)型拓撲結構，如圖2所示。

　　2．2 CAN總線(xiàn)硬件電路設計

　　為了保證控制系統的技術(shù)指標，完成實(shí)時(shí)數據處理和電路保護功能，并考慮到系統的擴展性，采用16位微控制器系列中的XCl64CS。該芯片尺寸小、運算速度高，并集成有TwinCAN模塊，該模塊用于控制幀的自動(dòng)發(fā)送和接收。該模塊有2個(gè)全功能的CAN節點(diǎn)共享模塊的資源，提供32個(gè)報文對象，它們可獨立分配給2個(gè)CAN節點(diǎn)中的任意一個(gè)，還可以組合構成FIFO結構。每個(gè)報文對象分別對應有利于濾波的驗收屏蔽寄存器。

　　全CAN功能和FIFO結構的靈活組合可滿(mǎn)足復雜嵌入式控制應用的實(shí)時(shí)要求。CAN總線(xiàn)監控功能的增強以及報文對象個(gè)數的增加使得CAN的總線(xiàn)通信處理更加精確和方便。網(wǎng)關(guān)功能允許在2個(gè)獨立的CAN總線(xiàn)系統之間進(jìn)行自動(dòng)數據交換，減輕了CPU負載，提高了整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性。2個(gè)CAN節點(diǎn)的位定時(shí)都從主時(shí)鐘得到，可通過(guò)編程使數據速率達到1 Mb／s，

　　CAN總線(xiàn)收發(fā)器采用英飛凌公司的TLE6250G，支持傳送速率高達1 Mb／s，具有抗瞬變、抗射頻和抗電磁干擾的特性，并具有寬泛的工作范圍(-40～150℃)，以及短路保護和過(guò)溫保護功能。具體的CAN總線(xiàn)節點(diǎn)原理圖設計如圖3所示。

　　另外，總線(xiàn)連接時(shí)兩端各加一只120 Ω的電阻，它們對于匹配總線(xiàn)阻抗起著(zhù)相當重要的作用，可減少信號反射干擾。

　　2．3 CAN總線(xiàn)節點(diǎn)軟件設計

　　CAN總線(xiàn)節點(diǎn)軟件設計與整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性和可靠性密切聯(lián)系。本系統中各部分間的數據交換比較頻繁，CAN總線(xiàn)上傳輸的數據幀包括有：1)主機發(fā)送的控制指令幀，主機控制著(zhù)整個(gè)系統的工作模式，通過(guò)PCB板為好板或壞板的信號來(lái)控制分揀1和分揀2的運作；2)各控制部分傳給主機的狀態(tài)信息，將正在上板中、正在出板中或者系統故障等消息傳給主機，方便操作人員實(shí)時(shí)了角整個(gè)系統信息；3)各控制部分之間的信息交換，如上板部分檢測到一批PCB板檢測完成，通知分揀部分出板的信號，任何部分檢測到故障通知報警信號等。

　　根據系統的實(shí)際情況未編寫(xiě)相應的軟件程序。這里使用的XCl64CS單片機的CAN控制器遵循CAN V2．0B規范。報文緩存單元最多保存32個(gè)報文對象，每個(gè)對象的最大數據長(cháng)度為8字節。每個(gè)報文對象有一個(gè)標識符和自己的控制和狀態(tài)位集。通過(guò)控制相應寄存器來(lái)存放通信時(shí)發(fā)出或者接收到的數據以及報文寄存器組的設置。對報文寄存器進(jìn)行初始化之后，報文緩存單元無(wú)需CPU監控就能夠處理數據的接收和發(fā)送，簡(jiǎn)化了軟件代碼的編寫(xiě)。而CPU通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)CAN控制器狀態(tài)寄存器或者由CAN控制器以中斷的方式通知CPU，即可得到當前通信狀態(tài)，從而節省了CPU的占用時(shí)間。

　　2．3．1 CAN控制器的初始化

　　要實(shí)現CAN通信，首先要對CAN控制器進(jìn)行正確初始化設置。初始化主要完成下面的工作：節點(diǎn)控制寄存器ACP／BCR的設定；CCE和 INIT置位；錯誤計數器最大值的設定；節點(diǎn)輸出管腳的設定；節點(diǎn)傳輸速率的設定；給節點(diǎn)配置發(fā)送、接收消息體。對于XCl64CS，CAN控制器的初始化可以使用DAVE進(jìn)行配置，來(lái)自動(dòng)生成代碼，也可以用戶(hù)自行編寫(xiě)。初始化流程如圖4所示。

　　以下為相應的程序代碼：

　　2．3．2 CAN控制器的發(fā)送和接收程序

　　CAN模塊初始化成功后，就可以用其來(lái)傳送報文。節點(diǎn)向總線(xiàn)上發(fā)送報文的過(guò)程是：將待發(fā)送的數據打包成符合CAN協(xié)議的幀格式，寫(xiě)入發(fā)送緩沖區，并自動(dòng)發(fā)送。數據幀一幀最多只能傳輸8個(gè)字節，大于8個(gè)字節的按照每8個(gè)字節為一幀傳送，剩下不足8個(gè)字節的補成8個(gè)字節?？梢栽诔绦蛑兄苯诱{用 CAN_vTransmit函數即可實(shí)現發(fā)送數據，該函數定義如下：

　　接收數據有查詢(xún)方式或中斷方式。這里采用中斷方式，要實(shí)現的功能是：進(jìn)入中斷接收程序，判斷中斷是否是接受中斷；若是將數據讀出緩存器并進(jìn)行判斷，再進(jìn)入相應的命令和數據處理函數?？刂破鹘邮蘸桶l(fā)送流程如圖5所示。

　　3 結束語(yǔ)

　　該自動(dòng)光學(xué)檢測通信系統已經(jīng)實(shí)現且通過(guò)了聯(lián)調，數據傳送穩定，并已應用于PCB板面缺陷自動(dòng)光學(xué)檢測儀的控制系統。該自動(dòng)光學(xué)檢測通信系統滿(mǎn)足可靠性和靈活性的高要求，實(shí)現控制系統各單元相對獨立，各單元之間的連線(xiàn)簡(jiǎn)潔，使系統操作簡(jiǎn)單，使用可靠，取得了良好的使用效果。