基于CAN总线的多视觉传感器测控系统的设计1

frozenviolet

基于CAN总线的多视觉传感器测控系统的设计1 [复制链接]

1   引言
    视觉检测技术是以机器视觉为基础的新型测试技术，因其具有测量非接触、速度快、信息量大、应用领域宽广等特点而受到欢迎。结构光传感器是应用较早、发展较成熟的视觉传感器，因此本系统采用结构光传感器来采集图像并经图像采集卡送给计算机处理。由于视觉传感器在视觉测量中担负着视频图像信号（测量数据）的采集、切换与传输。因此，如何让视觉传感器测控系统快速、精确地获得理想的视频图像信息，进而为后期的图像处理提供可靠的支持，亦即视觉传感器的测控系统的设计显得尤为重要。
2   视觉系统的概述
    视觉检测系统中采集被测物体图像的视觉传感器有单目和双目两种之分，本测控系统可以使用单目视觉传感器也可以使用双目视觉传感器来采集数据，本文主要讨论由多个双目视觉传感器组成的多视觉传感器测控系统，其中的每个视觉传感器采用的是目前技术已经比较成熟的线结构光视觉传感器，其结构是由双CCD摄像机、一个激光投射器和一块MCU控制电路组成，基于立体视差原理，利用两台摄像机来模仿实现人眼的功能，利用空间点在两摄像机像面上的透视或像点坐标来求取空间点的三维坐标。当被测工件较大需要不止一个视觉传感器时，上述多个视觉传感器加上多路视频切换开关就构成了多视觉传感器测控系统。如对汽车车身上的很多特征点进行检测时，就需要几十甚至上百个传感器来测量，由于控制器局部网CAN(controller area network)总线具有很强的带负载能力，一个CAN网络上最多能接110个节点，所以本系统采用CAN总线进行通讯和网络控制。 
     视觉传感器中MCU控制电路提供CCD摄像机、激光投射器的电源并且控制着它们的开启与关闭，为避免激光投射器使用时间过长激光器发热引起线结构光光能分布不稳从而影响测量精度，当传感器开始测量时，先上电初始化，再打开激光器，测量完毕后即关闭以延长投射器寿命。
     本系统中，上位机为PC机，下位机为8051单片机控制单元，上、下位机之间用CAN总线进行通讯，由于PC机中并不带CAN总线接口，因此必需一个CAN接口卡，这里选用广州周立功公司的USBCAN智能接口卡来通信，因其具有体积小、外置且即插即用等特点。这样，PC可通过USB总线方便地连接至CAN总线网络控制各个CAN节点进行数据采集和处理。USBCAN智能CAN接口卡可以与ZLGCANTest通用CAN-bus测试软件连接运行，执行CAN-bus总线数据的接收、发送测试任务，较易于实现CAN-bus产品开发和数据分析。USBCAN智能CAN接口卡采用周立功公司提供的通用的ZLGVCI驱动库，支持WIN98、2000和XP操作系统并支持Linux平台。用户通过接口卡提供的ZLGVCI动态开发库可以方便快捷的开发出CAN系统应用产品。为了把模拟CCD相机输出的被测物体的模拟视频图像转换成数字信号并由计算机进行处理，这里采用了北京大恒图像公司的CG400型图像采集卡，其采用PCI总线，所采集的图像数据传输基本不占用CPU时间，并可将图像直接传送的计算机内存或显存。
 3  CAN总线简介
    CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1Mbps。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
为了满足大尺寸物体的三维轮廓的检测，本系统要求最少能带64个传感器，每个视觉传感器里有两个摄像机，即共有128路视频输入，而任一时刻系统只选取其中一路视频图像传给计算机进行图像采集处理，如对汽车车身周围布置了几十个传感器来检测车身上关键尺寸如挡风玻璃窗尺寸、车门安装棱边缝隙、定位孔位置，测量其相应的棱边、孔表面的空间位置尺寸。视觉传感器可以按要求顺序进行工作，也可以选取被测对象的特定点并通过CAN控制网络选择特定传感器来检测，计算机采集检测点图像并进行处理，将计算值与标准值比对，从而得出视觉检测的结果。
4  多视觉传感器的控制设计
   视觉传感器的控制电路主要包括视频切换、电源供给和CAN通讯接口三个部分。每个传感器里有两个CCD相机，即能同时采集两路视频输入，但任一时刻传感器只能输出一路视频信号，这里采用MAXIM公司的视频复用放大器max4313和max4315进行多路视频信号的切换传输，传感器内部用单片机控制max4313进行二选一视频切换，系统中多个传感器之间通过多个八选一视频切换芯片max4315的级连来实现多视觉传感器的切换选择。多路视频切换开关电路能很好实现这一功能，P89C668单片机的P2口的三跟地址线控制max4315的三个地址端决定切换哪一路通道的视频信号。max4313和max4315是低功耗高速多路视频复用放大器，具有通道切换速度快（40ns）、切换瞬变低（10mVp-p）、差分增益误差低（0.06％）、相位误差小（0.02度）等良好的视频特性，工作在＋4~＋10.5V的单电源（双电源正负2V~正负5.25V），本例中工作在正负5V的双电源下，为了减少干扰与传感器内部空间安装方便，电源电路与控制电路分开制作，分别放在投射器二边。由于视频信号频率较高，频带较宽，因此当两路视频信号相距较近要注意干扰问题，时，容易产生串扰，为了尽量减小串扰，电路设计时应注意以下几点：要把数字模块与视频切换模块在一个板子上分成二个区域，以及尽可能减少视频引线的长度并注意使用75欧姆匹配电阻，视频引线要使用带屏蔽层的视频同轴电缆（75欧姆阻抗）。