一種多視覺傳感器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　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(jī)處理。由于視覺傳感器在視覺測量中擔(dān)負(fù)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(jìn)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(jī)、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(jī)來模仿實(shí)現(xiàn)人眼的功能，利用空間點(diǎn)在兩攝像機(jī)像面上的透視或像點(diǎn)坐標(biāo)來求取空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。當(dāng)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(diǎn)進(jìn)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(qiáng)的帶負(fù)載能力，一個CAN網(wǎng)絡(luò)上最多能接110個節(jié)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用CAN總線進(jìn)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(jī)、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(dāng)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(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為8051單片機(jī)控制單元，上、下位機(jī)之間用CAN總線進(jìn)行通訊，由于PC機(jī)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(diǎn)。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(diǎn)進(jìn)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(yùn)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(shí)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(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)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(dá)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(yàn)、優(yōu)先級判別等項工作。CAN協(xié)議的一個最大特點(diǎn)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(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由11位或29位二進(jìn)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(diǎn)同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)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(shí)時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)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(dú)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(rèn)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(jī)，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(jī)進(jìn)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(fēng)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(jìn)行工作，也可以選取被測對象的特定點(diǎn)并通過CAN控制網(wǎng)絡(luò)選擇特定傳感器來檢測，計算機(jī)采集檢測點(diǎn)圖像并進(jìn)行處理，將計算值與標(biāo)準(zhǔn)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(jī)，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(jìn)行多路視頻信號的切換傳輸，傳感器內(nèi)部用單片機(jī)控制max4313進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)這一功能，P89C668單片機(jī)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(fù)2V~正負(fù)5.25V)，本例中工作在正負(fù)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(dāng)兩路視頻信號相距較近要注意干擾問題，時，容易產(chǎn)生串?dāng)_，為了盡量減小串?dāng)_，電路設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：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(diǎn)都有權(quán)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，其協(xié)議簡單，實(shí)時性強(qiáng)，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(diǎn)如下：

　　1)CAN總線的任一節(jié)點(diǎn)在任一時刻都主動向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)所占用，通信靈活。

　　2)CAN總線上的節(jié)點(diǎn)可通過設(shè)置分為不同的優(yōu)先級，用來滿足不同的實(shí)時性要求。

　　3)CAN總線采用非破壞性總線仲裁，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等多種數(shù)據(jù)通訊傳送方式。

　　5)節(jié)點(diǎn)間通訊位速率與節(jié)點(diǎn)間距離有關(guān)，總線最遠(yuǎn)通訊距離為10km，此時通訊速率為5kbps，最大通訊速率能達(dá)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(jī)制，節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)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(biāo)地址，僅用報文標(biāo)志符來來指示功能信息和優(yōu)先級信息。

　　5.1 CAN節(jié)點(diǎn)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(shí)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(qiáng)型單片機(jī)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(diǎn)。其硬件電路圖如圖3所示：

　　電路的核心部分是P89C668單片機(jī)，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(shí)現(xiàn)通過串行口下載升級程序，擁有8K字節(jié)RAM(可外擴(kuò)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(jìn)行各種片內(nèi)操作和片外擴(kuò)展。CAN控制器相對于微控制器來說相當(dāng)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(jī)就是通過讀寫這些寄存器來實(shí)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(diǎn)的軟件設(shè)計

　　CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計主要包括三個部分：CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報文發(fā)送和報文接收。CAN節(jié)點(diǎn)的通訊實(shí)質(zhì)上就是對CAN控制器內(nèi)部各寄存器進(jìn)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(jìn)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(jìn)行程序重組。編程語言采用單片機(jī)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(diǎn)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(jī)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(diǎn)的初始化程序：

　　Init_Can (void)

　　{ MODE = 0x09; file://進(jìn)入復(fù)位模式,對SJA1000進(jìn)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(yàn)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(yàn)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?yàn)V波方式,進(jìn)入正常模式,初始化完畢;

　　由于視覺傳感器測控系統(tǒng)要進(jìn)行視覺檢測多為在線檢測，實(shí)時性要求較強(qiáng)，這里各傳感器節(jié)點(diǎn)采用中斷接收方式接收上位機(jī)的控制命令，節(jié)點(diǎn)初始化后，當(dāng)一幀信息經(jīng)過出錯檢測確認(rèn)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(jī)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(biāo)志符如果是本節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在收到主控機(jī)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(jìn)行狀態(tài)查詢，判定總線是否空閑，如空閑，則將目的節(jié)點(diǎn)地址寫入發(fā)送標(biāo)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(biāo)志符，標(biāo)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(diǎn)地址，然后是一位RTR位(0為數(shù)據(jù)幀，1為遠(yuǎn)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(shí)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(jī)中的哪一路采集圖像。

　　CAN節(jié)點(diǎn)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(jī)節(jié)點(diǎn)要設(shè)置相同的波特率，總線與上位PC機(jī)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(diǎn)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。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(jī)和激光器，激光器投射出的線結(jié)構(gòu)光越細(xì)光強(qiáng)分布越均勻，則測量精度越高。