摘要：本文給出了多視覺傳感器測控系統(tǒng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)了CAN總線在視覺檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用。介紹了視覺傳感器、視頻多路切換開關(guān)的硬件電路和CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)通訊的軟件設(shè)計。
    關(guān)鍵詞：CAN總線 視覺檢測 視覺傳感器 視頻多路切換開關(guān)
 
    1 引言
 
    視覺檢測技術(shù)是以機器視覺為基礎(chǔ)的新型測試技術(shù)，因其具有測量非接觸、速度快、信息量大、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V等特點而受到歡迎。結(jié)構(gòu)光傳感器是應(yīng)用較早、發(fā)展較成熟的視覺傳感器，因此本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光傳感器來采集圖像并經(jīng)圖像采集卡送給計算機處理。由于視覺傳感器在視覺測量中擔負著視頻圖像信號（測量數(shù)據(jù)）的采集、切換與傳輸。因此，如何讓視覺傳感器測控系統(tǒng)快速、精確地獲得理想的視頻圖像信息，進而為后期的圖像處理提供可靠的支持，亦即視覺傳感器的測控系統(tǒng)的設(shè)計顯得尤為重要。
 
    2 視覺系統(tǒng)的概述
 
    視覺檢測系統(tǒng)中采集被測物體圖像的視覺傳感器有單目和雙目兩種之分，本測控系統(tǒng)可以使用單目視覺傳感器也可以使用雙目視覺傳感器來采集數(shù)據(jù)，本文主要討論由多個雙目視覺傳感器組成的多視覺傳感器測控系統(tǒng)，其中的每個視覺傳感器采用的是目前技術(shù)已經(jīng)比較成熟的線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，其結(jié)構(gòu)是由雙CCD 攝像機、一個激光投射器和一塊MCU控制電路組成，基于立體視差原理，利用兩臺攝像機來模仿實現(xiàn)人眼的功能，利用空間點在兩攝像機像面上的透視或像點坐標來求取空間點的三維坐標。當被測工件較大需要不止一個視覺傳感器時，上述多個視覺傳感器加上多路視頻切換開關(guān)就構(gòu)成了多視覺傳感器測控系統(tǒng)。如對汽車車身上的很多特征點進行檢測時，就需要幾十甚至上百個傳感器來測量，由于控制器局部網(wǎng)CAN（controller area network）總線具有很強的帶負載能力，一個CAN網(wǎng)絡(luò)上最多能接110個節(jié)點，所以本系統(tǒng)采用CAN總線進行通訊和網(wǎng)絡(luò)控制。 
    視覺傳感器中MCU控制電路提供CCD攝像機、激光投射器的電源并且控制著它們的開啟與關(guān)閉，為避免激光投射器使用時間過長激光器發(fā)熱引起線結(jié)構(gòu)光光能分布不穩(wěn)從而影響測量精度，當傳感器開始測量時，先上電初始化，再打開激光器，測量完畢后即關(guān)閉以延長投射器壽命。
    本系統(tǒng)中，上位機為PC機，下位機為8051單片機控制單元，上、下位機之間用CAN總線進行通訊，由于PC機中并不帶CAN總線接口，因此必需一個CAN接口卡，這里選用廣州周立功公司的USBCAN智能接口卡來通信，因其具有體積小、外置且即插即用等特點。這樣，PC可通過USB總線方便地連接至CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制各個CAN節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集和處理。USBCAN智能CAN接口卡可以與ZLGCANTest通用CAN-bus測試軟件連接運行，執(zhí)行CAN-bus總線數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送測試任務(wù)，較易于實現(xiàn)CAN-bus產(chǎn)品開發(fā)和數(shù)據(jù)分析。USBCAN智能CAN接口卡采用周立功公司提供的通用的ZLGVCI驅(qū)動庫，支持WIN98、2000和XP操作系統(tǒng)并支持Linux平臺。用戶通過接口卡提供的ZLGVCI動態(tài)開發(fā)庫可以方便快捷的開發(fā)出CAN系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)品。為了把模擬CCD相機輸出的被測物體的模擬視頻圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并由計算機進行處理，這里采用了北京大恒圖像公司的CG400 型圖像采集卡，其采用PCI總線，所采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸基本不占用CPU時間，并可將圖像直接傳送的計算機內(nèi)存或顯存。
 
    3 CAN總線簡介
 
    CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達1Mbps。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。
    為了滿足大尺寸物體的三維輪廓的檢測，本系統(tǒng)要求最少能帶64個傳感器，每個視覺傳感器里有兩個攝像機，即共有128路視頻輸入，而任一時刻系統(tǒng)只選取其中一路視頻圖像傳給計算機進行圖像采集處理，如對汽車車身周圍布置了幾十個傳感器來檢測車身上關(guān)鍵尺寸如擋風玻璃窗尺寸、車門安裝棱邊縫隙、定位孔位置，測量其相應(yīng)的棱邊、孔表面的空間位置尺寸。視覺傳感器可以按要求順序進行工作，也可以選取被測對象的特定點并通過CAN控制網(wǎng)絡(luò)選擇特定傳感器來檢測，計算機采集檢測點圖像并進行處理，將計算值與標準值比對，從而得出視覺檢測的結(jié)果。
 
    4 多視覺傳感器的控制設(shè)計
 
    視覺傳感器的控制電路主要包括視頻切換、電源供給和CAN通訊接口三個部分。每個傳感器里有兩個CCD相機，即能同時采集兩路視頻輸入，但任一時刻傳感器只能輸出一路視頻信號，這里采用MAXIM公司的視頻復(fù)用放大器max4313和max4315進行多路視頻信號的切換傳輸，傳感器內(nèi)部用單片機控制max4313進行二選一視頻切換，系統(tǒng)中多個傳感器之間通過多個八選一視頻切換芯片max4315的級連來實現(xiàn)多視覺傳感器的切換選擇。多路視頻切換開關(guān)電路能很好實現(xiàn)這一功能，P89C668單片機的P2口的三跟地址線控制max4315的三個地址端決定切換哪一路通道的視頻信號。max4313 和max4315是低功耗高速多路視頻復(fù)用放大器，具有通道切換速度快（40ns）、切換瞬變低（10mVp-p）、差分增益誤差低（0.06％）、相位誤差小（0.02度）等良好的視頻特性，工作在＋4～＋10.5V的單電源（雙電源正負2V～正負5.25V），本例中工作在正負5V的雙電源下，為了減少干擾與傳感器內(nèi)部空間安裝方便，電源電路與控制電路分開制作，分別放在投射器二邊。由于視頻信號頻率較高，頻帶較寬，因此當兩路視頻信號相距較近要注意干擾問題，時，容易產(chǎn)生串擾，為了盡量減小串擾，電路設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：要把數(shù)字模塊與視頻切換模塊在一個板子上分成二個區(qū)域，以及盡可能減少視頻引線的長度并注意使用75歐姆匹配電阻，視頻引線要使用帶屏蔽層的視頻同軸電纜（75歐姆阻抗）。
 
    5 CAN總線通訊
 
    CAN總線是一個多主站現(xiàn)場總線，各節(jié)點都有權(quán)向其他節(jié)點發(fā)送信息，其協(xié)議簡單，實時性強，可靠性及抗干擾能力好，總線利用率高，硬件成本低。主要特點如下：
 
    1）CAN總線的任一節(jié)點在任一時刻都主動向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)而不分主從，通過優(yōu)先級確定總線為哪一節(jié)點所占用，通信靈活。
    2）CAN總線上的節(jié)點可通過設(shè)置分為不同的優(yōu)先級，用來滿足不同的實時性要求。
    3）CAN總線采用非破壞性總線仲裁，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，退出競爭，而優(yōu)先級高的節(jié)點將擁有總線使用權(quán)，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。
    4）CAN總線具有點對點，一點對多點及全局廣播等多種數(shù)據(jù)通訊傳送方式。
    5）節(jié)點間通訊位速率與節(jié)點間距離有關(guān)，總線最遠通訊距離為10km，此時通訊速率為5kbps，最大通訊速率能達到1Mbps（通訊距離40m內(nèi)）。
    6）可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文，發(fā)送的報文遭到破壞后可自動重發(fā)。
    7）可靠的錯誤處理和檢錯機制，節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能。
    8）報文不包含源地址和目標地址，僅用報文標志符來來指示功能信息和優(yōu)先級信息。
 
    5.1 CAN節(jié)點硬件接口
 
    CAN總線接口硬件部分主要由微控制器、CAN控制器和CAN收發(fā)器構(gòu)成。CAN控制器實現(xiàn)了CAN通訊中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，提供了與微控制器和總線的物理線路接口，這樣用戶只需編寫符合自己通訊和控制要求的應(yīng)用層協(xié)議即可。本系統(tǒng)中微控制器使用Philips公司的8位增強型單片機 P89C668，CAN控制器和總線驅(qū)動器用的分別是Philips公司的SJA1000、PCA82C250來構(gòu)成典型的CAN通訊節(jié)點。
    電路的核心部分是P89C668單片機，它以80C51為內(nèi)核，具有ISP（在系統(tǒng)編程）和IAP（在應(yīng)用編程）功能的片內(nèi)Flash存儲器，片內(nèi)Boot ROM包含底層FLASH編程子程序，以實現(xiàn)通過串行口下載升級程序，擁有8K字節(jié)RAM（可外擴到64K）和64K字節(jié)FLASH ，還有 4個中斷優(yōu)先級、8個中斷源和4個8位I/O口，可方便地進行各種片內(nèi)操作和片外擴展。CAN控制器相對于微控制器來說相當于一個存儲器I/O映象設(shè)備，SJA1000片內(nèi)有模式寄存器、狀態(tài)寄存器、命令寄存器、中斷寄存器和收、發(fā)寄存器等。單片機就是通過讀寫這些寄存器來實現(xiàn)對SJA1000的控制，芯片的TX0、TX1、RX0、RX1引腳用于CAN總線的接口，SJA1000的12M晶振由P89C668的外部晶振產(chǎn)生電路同時提供；PCA82C250是控制器與物理總線的接口，可提供對總線的差動發(fā)送和接收功能，其TXD、RXD引腳分別接收和發(fā)送經(jīng)驅(qū)動后的信號，再由 CANH、CANL接至總線傳輸介質(zhì)（這里采用雙絞線）上，同時還要注意CANH、CANL之間要加上120歐姆的終端匹配電阻才能保證總線的正常通訊。
 
    5.2 CAN節(jié)點的軟件設(shè)計
 
    CAN總線智能節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括三個部分：CAN節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。CAN節(jié)點的通訊實質(zhì)上就是對CAN控制器內(nèi)部各寄存器進行讀寫，由于這些寄存器或發(fā)送、接收緩沖器均有確定的地址，CPU可通過外設(shè)訪問指令對它們進行讀寫操作。系統(tǒng)上電復(fù)位后，CPU對SJA1000的各個控制寄存器寫入相應(yīng)控制字信息，以完成CAN控制器的初始化。本例中，系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，程序具有較好的模塊性和可移植性，對于不同的檢測系統(tǒng)和應(yīng)用環(huán)境，可以方便地進行程序重組。編程語言采用單片機C語言Keil C51，它具有較高的效率，可讀性好，能夠有效減輕系統(tǒng)軟件編程的工作量。
    CAN總線通訊的成功與否重點是SJA1000的初始化設(shè)置,初始化程序通過將CAN控制器的寄存器寫入控制字，確定CAN的工作方式。用 P89C668的P2.7作為片選信號與SJA1000的CS引腳相連,SJA1000的片內(nèi)寄存器和P89C668單片機寄存器是重疊編址的,因此 SJA1000寄存器尋址時要定義成片外RAM尋址。下面給出了CAN節(jié)點的初始化程序：
 
Init_Can （void）
｛ MODE = 0x09; file://進入復(fù)位模式,對SJA1000進行初始化;
CDR = 0x88； file://選擇PeliCan;
CMR = 0x0C； file://清除數(shù)據(jù)溢出和釋放接收緩沖器;
IER = 0x03； file://開放接收中斷和發(fā)送中斷;
ACR0 = 0x66； 
ACR1 = 0x66；
ACR2 = 0x66； 
ACR3 = 0x66； file://根據(jù)具體的協(xié)議定義設(shè)置驗收碼寄存器;
AMR0 = 0xFF； 
AMR1 = 0xFF； 
AMR2 = 0xFF； 
AMR3 = 0xFF； file://根據(jù)具體的協(xié)議定義設(shè)置驗收屏蔽寄存器；
BTR0 = 0x41； 
BTR1 = 0x1B； file://12MHz晶振下,設(shè)置波特率為200kbps; 
OCR = 0XAA； 
EWLR =0x60； 
RBSA = 0x00； file://RX緩存器起始地址寄存器設(shè)置為0；
TXERR= 0x00； file://發(fā)送錯誤接收器設(shè)置為0； 
ECC =0x00； 　 
MODE= 0x08； file://單向濾波方式,進入正常模式,初始化完畢;
 
    由于視覺傳感器測控系統(tǒng)要進行視覺檢測多為在線檢測，實時性要求較強，這里各傳感器節(jié)點采用中斷接收方式接收上位機的控制命令，節(jié)點初始化后，當一幀信息經(jīng)過出錯檢測確認為正確信息后裝入接收緩沖器，SJA1000的INT腳會產(chǎn)生中斷信號，該信號連接到單片機P89C668的外邊中斷0引腳，在外部中斷0中斷處理程序中判別該信息的標志符如果是本節(jié)點地址，便讀出接收緩沖器的數(shù)據(jù)并保存在RAM中，中斷接收程序框圖如下：
    系統(tǒng)中發(fā)送報文采用查詢方式，傳感器節(jié)點在收到主控機的數(shù)據(jù)請求命令后發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送模塊首先進行狀態(tài)查詢，判定總線是否空閑，如空閑，則將目的節(jié)點地址寫入發(fā)送標志符寄存器，數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器，完成一幀CAN信息發(fā)送。
    CAN信息格式分為信息和數(shù)據(jù)兩部分，頭兩個字節(jié)是信息部分，其前11位為標志符，標志符的前八位用作接收判斷，應(yīng)包含本信息包的目的節(jié)點地址，然后是一位RTR位（0為數(shù)據(jù)幀，1為遠程幀，本例使用數(shù)據(jù)幀），最后是四位的DLC。其余八個字節(jié)為是數(shù)據(jù)部分，存有實際要發(fā)送的數(shù)據(jù)。本例中只用到前兩個數(shù)據(jù)，第一個表示傳感器地址，第二個字節(jié)表示選擇傳感器里的兩路攝像機中的哪一路采集圖像。
    CAN節(jié)點之間通訊成功的另一個關(guān)鍵是波特率的設(shè)置，不僅CAN總線上的各下位機節(jié)點要設(shè)置相同的波特率，總線與上位PC機相連的USBCAN接口卡也要有相同的波特率，這樣才能保證通訊暢通。由于USBCAN接口卡內(nèi)的CAN控制器SJA1000用的是16M晶振，而各傳感器節(jié)點內(nèi)的 SJA1000與P89C668使用12M晶振，因此對于不同的通訊速率一定要計算出兩種晶振都相一致的BTR0、 BTR1來設(shè)置總線波特率。
 
    6 結(jié)束語
 
    本文主要著重于多視覺傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計研究，目前系統(tǒng)軟硬件已初步調(diào)試完成，并能做到各個視覺傳感器的快速切換傳輸視頻圖像，且切換是圖像抖動較小，效果較好。在系統(tǒng)應(yīng)用于視覺檢測之前還必須對各視覺傳感器進行標定以及系統(tǒng)的總體標定，系統(tǒng)標定完成后即可投入使用。本系統(tǒng)的精度主要由硬件決定，選用高精度、高分辨力的CCD攝像機和激光器，激光器投射出的線結(jié)構(gòu)光越細光強分布越均勻，則測量精度越高。測量精度高必然導(dǎo)致測量視場范圍小，而傳感器有效視場大小又與相機同激光器的擺放夾角以及攝像機的內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，限于篇幅這里不再贅述。
    鑒于CAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良性能，能夠快速、可靠的交換信息，特別適合多通訊節(jié)點的互連，形成多主機控制器局部網(wǎng)。本文探索了它在多視覺傳感器測控系統(tǒng)上的控制應(yīng)用，本視覺系統(tǒng)不僅要有較好的網(wǎng)絡(luò)擴展能力，在系統(tǒng)工作過程中增減一些傳感器節(jié)點不會影響系統(tǒng)工作，只需對軟件進行少量修改即可，針對不同測量目標，視覺傳感器里的激光器還可以換成鹵素燈（傳感器電路中預(yù)先留有電源接口），這樣系統(tǒng)可很方便地面對不同測量任務(wù)。CAN總線驅(qū)動能力強、網(wǎng)絡(luò)性能恰好，能滿足不同測量系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)節(jié)點數(shù)可靈活調(diào)整而不影響系統(tǒng)的可靠性。CAN總線網(wǎng)絡(luò)性價比較高，可移植性強，本文所設(shè)計的多視覺傳感器測控系統(tǒng)，已經(jīng)成功應(yīng)用于汽車車身在線視覺檢測，而且稍作修改后能夠適用于工業(yè)自動化領(lǐng)域中其他測量控制系統(tǒng)。