基于CAN總線(xiàn)汽車(chē)車(chē)身視覺(jué)檢測站的研究

摘要：研究CAN總線(xiàn)和多主機控制在汽車(chē)白車(chē)身視覺(jué)監測站中的應用；提出以采用摩托羅拉MC68HC05X16和微機為主機的多主機分布式控制系統；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)行較為詳細的研究。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)檢測 三維測量 分布式控制 控制器局域網(wǎng) 數據通信

前言

汽車(chē)車(chē)身視覺(jué)檢測站是用于測量車(chē)身關(guān)鍵點(diǎn)的三維空間坐標的大型的專(zhuān)用檢測系統。它由機械及定位系統、三維視覺(jué)傳感器系統、測量控制與接口系統、標定系統以及計算機軟件五大部分組成。主要方法采用結構光傳感器，經(jīng)標定系統標定后，通過(guò)控制系統選取被測點(diǎn)，采集圖像，結合視覺(jué)檢測算法，求出被測點(diǎn)坐標參數。為進(jìn)行測量，必須把計算機與傳輸器聯(lián)系起來(lái)。檢測人員應能通過(guò)計算機選擇測點(diǎn)，使傳感器按預先設定的順序進(jìn)入測量狀態(tài)，產(chǎn)生測量用的光條平面，還應能夠隨時(shí)調整測量順序，并實(shí)現對光源的實(shí)時(shí)控制及圖像部分的多用戶(hù)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(xiàn)屬于現場(chǎng)總線(xiàn)范疇，與現有的其他總線(xiàn)相比，屬于一種分散式、數字化、雙向、多站點(diǎn)、多變量的通信系統，具有通信速率高、可靠性強、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的數據通信。

本文主要介紹CAN總線(xiàn)在視覺(jué)檢測站中的研究與應用。

二、視覺(jué)檢測原理及視覺(jué)檢測站控制系統

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

由于汽車(chē)車(chē)身長(cháng)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(xiàn)要求300m以上，此外控制系統還應實(shí)現對檢測站中的機械及定位系統的控制。整個(gè)控制系統應具有一定的擴展和適應能力，以便于其他控制單元的加入。

本系統中，針對不同的測量對象，采用不同類(lèi)型的傳感器，總數在50臺以上。檢測站的控制系統應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。另外，本測量系統將用于汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)，車(chē)身先由吊車(chē)放到運放小車(chē)上，然后由小車(chē)運送到檢測站內。吊車(chē)及運送小車(chē)由直流電機驅動(dòng)，它們的動(dòng)作應該既可以通過(guò)主機鍵盤(pán)控制，也可以通過(guò)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(xiàn)作為本控制網(wǎng)絡(luò )的通信標準。

二、網(wǎng)絡(luò )拓撲結構與CAN總線(xiàn)

在車(chē)身檢測站中，對各傳感器的數據采集及圖像處理等工作主要由CP機完成，為操作方便，對機械部分的控制還應能通過(guò)控制臺進(jìn)行。本系統控制節點(diǎn)多（50個(gè)以上），可靠性要求高，傳統的集中控制方式雖然功能集中、速度較快，但具有硬件結構復雜、現場(chǎng)布線(xiàn)困難、擴展能力低等缺點(diǎn)，所以我們采用單片機作為直接控制單元，用于對傳感器的直接控制。每個(gè)單片機都是控制網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)節點(diǎn)，各節點(diǎn)直接掛接在數據總線(xiàn)上。PC機和控制框也同樣各和為一個(gè)節點(diǎn)掛接在總線(xiàn)上，即控制網(wǎng)絡(luò )應具有多主機控制能力。所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò )采用多主機結構，即每一個(gè)節點(diǎn)也是一個(gè)主機，通過(guò)主機間的通信以實(shí)現控制要求。為此，我們決定采用總線(xiàn)型的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，利用CAN靈活方便、支持多主機方式等特點(diǎn)，建立控制網(wǎng)絡(luò )。不難看出，只要解決好“碰撞”問(wèn)題，這種方法有結構簡(jiǎn)單、安全系數高、靈活性好、易于擴展等特點(diǎn)，可以充分滿(mǎn)足本檢測站的控制要墳?？刂凭W(wǎng)絡(luò )的結構示意圖如圖2所示。

現有微機一般都配有兩個(gè)串行接口，其機械特性和電器特性均符合RS-232C標準。由于RC-232C標準采用單端電路，極易引入附加電平，并且負載電容不能大于2500pF，傳輸距離和速度都非常有限；而CAN總線(xiàn)這些方面都遠遠超過(guò)RS-232C。CAN總線(xiàn)是一個(gè)智能化的總線(xiàn)，具有自我管理的功能，能夠有效地支持多主機分布式控制，能夠良好地解決“碰撞”問(wèn)題，并具有傳輸速率高（可達1Mbps）、傳輸距離長(cháng)（可達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校驗及獨特的數據信號表示，使其具有錯誤判別及自動(dòng)重發(fā)功能，漏檢錯誤概率低于5×10 -11。所以，我們采用了CAN總線(xiàn)。由于CAN總線(xiàn)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(fǎng)問(wèn)控制上，采用主從式與自由競爭式相結合的放手式通信方法，即以PC主處理機和控制臺作為主控制節點(diǎn)，兩主控節點(diǎn)的優(yōu)先級與節點(diǎn)標總符相對應，主控節點(diǎn)命令及信息的送可通過(guò)外部設置約定，也可通過(guò)自由競爭實(shí)現。

在PC機方面，采用接口卡使PC機跨入總線(xiàn)，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轉換主要由MC68HC05X16單片機控制。工作中，信息由PC機數據總線(xiàn)送出，經(jīng)8255A的PA口進(jìn)入單片機，在單片機的控制下將并行輸入的信號轉換為CAN總線(xiàn)輸出。這里，采用16V8的GAL進(jìn)行地址譯碼并實(shí)現部分邏輯關(guān)系。

在傳感器和控制框通信接口方面，選用了MC68HC05X16單片機。由于MC68HC05X16自身帶CAN接口，簡(jiǎn)化了硬件設計，減少了系統故障，增加了通信的可靠性與安全性。本系統硬件設計為128個(gè)節點(diǎn)（可以設計為更多），可以充分滿(mǎn)足檢測站50個(gè)節點(diǎn)的要求，并且可以進(jìn)一步擴展，加入新的檢測設備和檢測點(diǎn)。

三、CAN總線(xiàn)通信協(xié)議

針對測量系統的需要，我們采用了多主機通信方式。該方式可以充分發(fā)揮每個(gè)主機的作用，很容易使各個(gè)節點(diǎn)之間建立起數據聯(lián)系，任意兩個(gè)節點(diǎn)之間都可以根據需要進(jìn)行通信。通信與控制都非常簡(jiǎn)單，可以充分滿(mǎn)足本檢測站迅速、可靠、實(shí)時(shí)性的要求。根據檢測系統的需要和CAN幀結構，重點(diǎn)結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)行了研究和設計。

本系統中，CAN總線(xiàn)以報文為單位進(jìn)行數據傳輸，并采取位仲裁的方式對總線(xiàn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，即在報文起始部分發(fā)送節點(diǎn)標總符。CAN總線(xiàn)的標準數據幀的仲裁場(chǎng)有11個(gè)位標識符，它主要用于解決總線(xiàn)上的碰撞問(wèn)題。數據幀標識符越小，數據幀具有越高的優(yōu)先權。也就是說(shuō)，當兩幀數據同時(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）的數據幀將停止發(fā)送，而發(fā)送“主控”電平（dominant level）的數據幀將繼續發(fā)送，這樣，CAN總線(xiàn)自身就解決了碰撞問(wèn)題。我們在每個(gè)節點(diǎn)設計了一個(gè)8位DIP開(kāi)關(guān)，通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)可以方便地改變傳感器地址，并且，以它代表的數據作為該節點(diǎn)發(fā)送的數據幀的標識符的高8位。這樣，地址越小的節點(diǎn)，其發(fā)送的數據就具有越高的優(yōu)先權。根據節點(diǎn)的重要性安排地址，有效地解決了碰撞和優(yōu)先權的問(wèn)題。

四、采用CAN總線(xiàn)的過(guò)程控制軟件

根據檢測系統的需要，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點(diǎn)都要執行的指令；尋址指令是指收到指令的節點(diǎn)只有相應地址的節點(diǎn)才執行的指令。由于CAN總線(xiàn)標準數據幀最多可帶有8個(gè)字節的數據，們將第一個(gè)字節作為地址（127為通用的地址，帶有通用指令的數據幀第一個(gè)字節為127），第二個(gè)字節作為指令字節，用于表示節點(diǎn)所要執行的動(dòng)作。表1為本系統中所用到的部分代碼及其意義。

表1 本系統部分指令代碼

對于不同的節點(diǎn)，有時(shí)有些操作應對其封鎖，甚至應禁止操作（如測量時(shí)應禁止對控制柜操作）因此，我們設立了遠地封鎖/解封及相應的近地封鎖/解封命令。封鎖后的節點(diǎn)只有解封后，才近地封鎖/解封命令。封鎖后的節點(diǎn)只有解封后，才能夠繼續執行指令。我們在每個(gè)節點(diǎn)處設立有控制開(kāi)關(guān)，以便通過(guò)本地操作實(shí)現近地封鎖/解封命令。這樣，就進(jìn)一步減少了本系統的誤操作，增加了系統的安全性。圖4、圖5分別為傳感器、控制柜方面的工作流程圖。

為了能夠準確掌握各節點(diǎn)的狀態(tài)，以便及時(shí)發(fā)現錯誤，并作出相應調整，在每個(gè)節點(diǎn)都設有節點(diǎn)狀態(tài)字。通過(guò)通信，可以讓節點(diǎn)報告各自的工作狀態(tài)。如出現故障或非法操作，則通過(guò)PC機報警，并且PC機定期查詢(xún)各節點(diǎn)，如發(fā)現通信故障，則報警。

結束語(yǔ)

為了測試本系統的通信能力及抗干擾性，我們將通信線(xiàn)路置于強干擾環(huán)境中，經(jīng)連續測試實(shí)驗，在500m傳輸距離、2Mbps傳輸速率下，完全可以保證數據傳輸的可靠性。

本系統用新一代的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS（Field Bus Control System）代替傳統的集散控制系統DCS（Distributed Conutrol System），實(shí)現了現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )與控制系統的集成。由于采用CAN總線(xiàn)，支持多主機方式，具有非破壞性的錯誤界定。CAN沒(méi)有定義物理層的驅動(dòng)器、接收器特性，便于用戶(hù)根據具體需要對發(fā)送媒體和總線(xiàn)的電平進(jìn)行定義，使網(wǎng)絡(luò )功能十分靈活。通過(guò)軟件的編寫(xiě)，可以完成十分強大的功能，并可以進(jìn)行擴展，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(zhù)十分重要的意義。