自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能控制性能，設(shè)計(jì)出基于CAN總線的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)通信系統(tǒng)。分析了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，以及在自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用，利用多個(gè)XCl64CS型微控制器實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的通信。描述了該系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了系統(tǒng)CAN總線接口以及 CAN總線的軟件設(shè)計(jì)。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)通信系統(tǒng)已成功應(yīng)用于印刷電路板PCB自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足PCB自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀控制系統(tǒng)的要求。
關(guān)鍵詞：CAN總線；XC164CS；自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)；自動(dòng)控制；印刷電路板(PCB)

    在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗(yàn)、生產(chǎn)監(jiān)控及零件測(cè)量、識(shí)別應(yīng)用等環(huán)節(jié)，然而通常人眼很難連續(xù)、穩(wěn)定地完成這些帶有高度重復(fù)性和智能性的工作，一般物理量傳感器也較難實(shí)現(xiàn)這些功能。而利用光電成像系統(tǒng)采集被檢測(cè)目標(biāo)的圖像，并經(jīng)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進(jìn)行數(shù)字化處理。與一般圖像處理系統(tǒng)相比，自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)更強(qiáng)調(diào)精度、速度，以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的可靠性。因此，這里提出一種基于CAN總線的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足PCB自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)控制系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

1 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)通信系統(tǒng)分析
    自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)具有快速準(zhǔn)確、可重復(fù)性強(qiáng)以及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)極大地減輕了人工檢測(cè)的壓力，解決了傳統(tǒng)人工檢測(cè)中的許多問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的檢測(cè)質(zhì)量和速度，為工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)檢測(cè)提供了革命性的解決方案。
    分布式的現(xiàn)場(chǎng)總線能同時(shí)滿足過(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(cè)系統(tǒng)的最佳選擇。分布式的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)比集散型控制系統(tǒng)更好地體現(xiàn)了 “信息集中、控制分散”的特點(diǎn)。且分布式控制系統(tǒng)在適用范圍、可擴(kuò)展性、控制速度、系統(tǒng)模塊化、可維護(hù)性、抗單點(diǎn)故障等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
    控制器局域網(wǎng)(CAN)總線是一種在工業(yè)控制中應(yīng)用的總線，帶寬利用率高，糾錯(cuò)能力強(qiáng)，并且廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作；運(yùn)用非破壞性仲裁技術(shù)，有效避免了總線沖突；短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適用于高干擾環(huán)境下；節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)
關(guān)閉總線功能，使總線上其他操作不受影響；可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多及廣播集中方式傳送和接收數(shù)據(jù)。因此，CAN總線滿足該控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線要求。
    本設(shè)計(jì)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(yīng)用到PCB板面缺陷自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀的控制系統(tǒng)。

2 通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
2．1 系統(tǒng)組成原理
    自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)由上板部分、掃描正面、掃描反面、分揀1、分揀2以及主機(jī)共6部分組成，整個(gè)系統(tǒng)使用的電機(jī)有5類共19個(gè)、氣缸11個(gè)以及各類傳感裝置若干。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。


    由于整個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性以及協(xié)調(diào)性要求很高，整個(gè)控制模式分為制作標(biāo)準(zhǔn)板模式、單步運(yùn)行模式以及檢測(cè)模式，對(duì)于模式間轉(zhuǎn)換的靈活性要求也很高。而分布式控制系統(tǒng)因其具有高可靠性、開(kāi)放性、靈活性、協(xié)調(diào)性、控制功能齊全和易于維護(hù)等特點(diǎn)，完全滿足本控制系統(tǒng)的要求。
    分布式控制系統(tǒng)使用較多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、環(huán)型和總線型3種。其中星型結(jié)構(gòu)(中央控制型)中所有通信都經(jīng)中央控制節(jié)點(diǎn)，若中央控制節(jié)點(diǎn)有故障，則整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓；環(huán)型結(jié)構(gòu)中相鄰控制節(jié)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(jié)點(diǎn)傳送到目的節(jié)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(jié)點(diǎn)的擴(kuò)充；而總線型結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點(diǎn)都共享一個(gè)公共的物理通道(即總線)，因此網(wǎng)絡(luò)上的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，且具有延遲小、速度快、易擴(kuò)展、單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障影響小的優(yōu)點(diǎn)。因此，該控制系統(tǒng)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。


2．2 CAN總線硬件電路設(shè)計(jì)
    為了保證控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和電路保護(hù)功能，并考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性，采用16位微控制器系列中的XCl64CS。該芯片尺寸小、運(yùn)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(jié)點(diǎn)共享模塊的資源，提供32個(gè)報(bào)文對(duì)象，它們可獨(dú)立分配給2個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)中的任意一個(gè)，還可以組合構(gòu)成FIFO結(jié)構(gòu)。每個(gè)報(bào)文對(duì)象分別對(duì)應(yīng)有利于濾波的驗(yàn)收屏蔽寄存器。
    全CAN功能和FIFO結(jié)構(gòu)的靈活組合可滿足復(fù)雜嵌入式控制應(yīng)用的實(shí)時(shí)要求。CAN總線監(jiān)控功能的增強(qiáng)以及報(bào)文對(duì)象個(gè)數(shù)的增加使得CAN的總線通信處理更加精確和方便。網(wǎng)關(guān)功能允許在2個(gè)獨(dú)立的CAN總線系統(tǒng)之間進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)交換，減輕了CPU負(fù)載，提高了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。2
個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的位定時(shí)都從主時(shí)鐘得到，可通過(guò)編程使數(shù)據(jù)速率達(dá)到1 Mb／s，
    CAN總線收發(fā)器采用英飛凌公司的TLE6250G，支持傳送速率高達(dá)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(hù)和過(guò)溫保護(hù)功能。具體的CAN總線節(jié)點(diǎn)原理圖設(shè)計(jì)如圖3所示。


    另外，總線連接時(shí)兩端各加一只120 Ω的電阻，它們對(duì)于匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，可減少信號(hào)反射干擾。
2．3 CAN總線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    CAN總線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)與整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性密切聯(lián)系。本系統(tǒng)中各部分間的數(shù)據(jù)交換比較頻繁，CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀包括有：1)主機(jī)發(fā)送的控制指令幀，主機(jī)控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作模式，通過(guò)PCB板為好板或壞板的信號(hào)來(lái)控制分揀1和分揀2的運(yùn)作；2)各控制部分傳給主機(jī)的狀態(tài)信息，將正在上板中、正在出板中或者系統(tǒng)故障等消息傳給主機(jī)，方便操作人員實(shí)時(shí)了角整個(gè)系統(tǒng)信息；3)各控制部分之間的信息交換，如上板部分檢測(cè)到一批PCB板檢測(cè)完成，通知分揀部分出板的信號(hào)，任何部分檢測(cè)到故障通知報(bào)警信號(hào)等。
    根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況未編寫相應(yīng)的軟件程序。這里使用的XCl64CS單片機(jī)的CAN控制器遵循CAN V2．0B規(guī)范。報(bào)文緩存單元最多保存32個(gè)報(bào)文對(duì)象，每個(gè)對(duì)象的最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)。每個(gè)報(bào)文對(duì)象有一個(gè)標(biāo)識(shí)符和自己的控制和狀態(tài)位集。通過(guò)控制相應(yīng)寄存器來(lái)存放通信時(shí)發(fā)出或者接收到的數(shù)據(jù)以及報(bào)文寄存器組的設(shè)置。對(duì)報(bào)文寄存器進(jìn)行初始化之后，報(bào)文緩存單元無(wú)需CPU監(jiān)控就能夠處理數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，簡(jiǎn)化了軟件代碼的編寫。而CPU通過(guò)訪問(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(dāng)前通信狀態(tài)，從而節(jié)省了CPU的占用時(shí)間。
2．3．1 CAN控制器的初始化
    要實(shí)現(xiàn)CAN通信，首先要對(duì)CAN控制器進(jìn)行正確初始化設(shè)置。初始化主要完成下面的工作：節(jié)點(diǎn)控制寄存器ACP／BCR的設(shè)定；CCE和 INIT置位；錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器最大值的設(shè)定；節(jié)點(diǎn)輸出管腳的設(shè)定；節(jié)點(diǎn)傳輸速率的設(shè)定；給節(jié)點(diǎn)配置發(fā)送、接收消息體。對(duì)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，也可以用戶自行編寫。初始化流程如圖4所示。


    以下為相應(yīng)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(bào)文。節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送報(bào)文的過(guò)程是：將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成符合CAN協(xié)議的幀格式，寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并自動(dòng)發(fā)送。數(shù)據(jù)幀一幀最多只能傳輸8個(gè)字節(jié)，大于8個(gè)字節(jié)的按照每8個(gè)字節(jié)為一幀傳送，剩下不足8個(gè)字節(jié)的補(bǔ)成8個(gè)字節(jié)?？梢栽诔绦蛑兄苯诱{(diào)用 CAN_vTransmit函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)，該函數(shù)定義如下：

    接收數(shù)據(jù)有查詢方式或中斷方式。這里采用中斷方式，要實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)讀出緩存器并進(jìn)行判斷，再進(jìn)入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)處理函數(shù)?？刂破鹘邮蘸桶l(fā)送流程如圖5所示。



3 結(jié)束語(yǔ)
    該自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)通信系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)且通過(guò)了聯(lián)調(diào)，數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定，并已應(yīng)用于PCB板面缺陷自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)儀的控制系統(tǒng)。該自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)通信系統(tǒng)滿足可靠性和靈活性的高要求，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)各單元相對(duì)獨(dú)立，各單元之間的連線簡(jiǎn)潔，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用可靠，取得了良好的使用效果。