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CAN总线技术在车身视觉检测系统中的应用


CAN 总线技术在车身视觉检测系统 中的应用
严辉,叶声华,刘常杰,吴 斌,杨学友,邾继贵 (天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072) 【摘要】 根据白车身视觉检测站工作的过程和特点, 研究了基于 CAN 总线的多主结构分布控制系 统, 提出了以采用摩托罗拉 MC68HC05X16 和微机为主机的控制系统。 文中对控制网络的物理层接 口、拓扑结构、通信协议等作了较为详细的说明。 [关键词] 视觉检测;CAN;分布式控制;数据通讯 [中图分类号]TIB36 [文献标识码]A [文章编号)1000-0682(2004)01-0026-03 控制器局域网 CAN 是一种具有很高保密性,有效支持分布式控制及实时控制的串行通信网 络。CAN 总线属于现场总线范畴,与现有的其它总线相比,它属于一种分散式、数字化、双向、 多站点、多变量的通信系统,具有通信速率高、可靠性强、连接方便、性能价格比高等诸多优点, 非常适用于分布式测量系统的数据通信。 计算机视觉检测是目前正在发展的一种新型检测技术。 汽车车身视觉检测站是用于测量车身 关键点三维空间坐标的大型专用检测系统。其主要原理是通过视觉传感器(Visual Sensor),采 用三角法获取车身表面点的信息, 通过三维视觉算法求取各关键点的坐标, 从而完成对车身各顶 点位置、挡风玻璃框尺寸、定位孔大小及位置、车门安装处棱边位置及走向等主要参数的测量。 文中结合 CAN 总线在汽车车身视觉检测站中的应用, 研究了基于 CAN 总线的多主分布控制系 统,并对该控制网络的物理层接口、拓扑结构、通讯协议等作了说明。 1 车身视觉检测站的工作过程及控制系统 汽车车身视觉检测是由机械及定位系统、三维视觉传感器系统、测量控制与接口系统、标定 系统以及计算机软件 5 大部分组成。 系统工作过程为: 由生产线上运送车身到一预摆放位粗略定 位,然后专用的控制系统完成待测位置的准确定位。视觉传感器按要求顺序开始工作,计算机采 集检测点图像并进行处理,结合视觉检测算法,求出被测点坐标等参数。汽车车身长宽高都是几 米范围,被测控制点一般都要求在 50 个以上,网络布线要求 300m 以上,系统中针对不同的测量 对象,采用了单光条传感器、多光条传感器、十字叉丝传感器和双目立体视觉传感器等,总数在 50 台以上。检测站的控制系统应能对这些传感器的动作进行实时控制。此外控制系统还应实现 对检测站中的机械及定位系统的控制。根据需要检测站的控制系统应完成以下任务: (1)主控机实时控制各个传感器,使其动作相互协调; (2)自动控制白车身运载小车(用于将白车身送到被测工位)的前进、后退、上升、下降、加 速、减速等动作;

(3)手动控制运载小车的上述各种动作; (4)位置传感器能够实时发送白车身上的位置信息。 整个车身视觉检测系统如图 1—1 所示。 为了实现系统控制功能,控制网络主要由以下 4 部分构成: (1)主控机:微机,它为控制系统的核心; (2)控制台:完成手动控制运载小车、接收位置传感器信息并发送给主控机及执行主控机指 令等功能; (3)CAN 接口卡:完成主控机信号和 CAN 协议标准信号之间的转换; (4)传感器控制部分:接受主控机指令,完成对传感器的控制和向主控机发送传感器状态信 息等功育邑。 系统中,主控机作为控制核心,负责传感器和控制台的管理。控制台既能通过执行主控机指 令控制运载小车,又能独立控制,所以网络应具有多主机控制能力,CAN 总线支持多主机方式, 且能在低层解决数据碰撞问题, 出于以上各方面考虑, 系统采用 CAN 总线作为控制网络的通信标 准。 整个系统控制示意图如图 1—2 所示。 2 CAN 总线控制网络 2.1 CAN 总线网络拓扑结构 在车身检测中,对各传感器的数据采集及图像处理等工作主要由 PC 机完成,为操作简便, 对机械部分的控制还应能通过控制台进行。该系统控制节点多,可靠性要求高,传统的集中控制 方式虽然功能集中,速度较快,但具有硬件结构复杂(每个控制节点都对应于一个 I/O 端口)、 现场布线困难、扩展能力低(受硬件端口数量限制)、故障诊断困难等缺点。所以采用单片机作为 直接控制单元,用于对传感器的直接控制。每个单片机都是控制网络上的一个节点,各节点直接 挂接在数据总线上。PC 机和控制柜也同样各作为一个节点挂接在总线上,即控制网络应具有多 主机控制能力,所以整个网络采用多主机结构,即每一个节点也是一个主机,通过主机之间的通 讯以实现控制要求。为此采用总线型广播式网络拓扑结构,利用 CAN 灵活方便、支持多主机方式 等优点,建立控制网络。不难看出,只要解决好“碰撞”问题,这种方法具有结构简单、安全系 数高、灵活性好、易于扩展等特点,可以充分满足检测站的控制要求。其结构如图 2—1 所示。

2.2 CAN 总线接口 CAN 协议没有定义物理层的具体参数,所以网络驱动电路的设计要考虑阻抗匹配。图 2--2 中, R1、 为 680Ω, R2 R3、 为 150kΩ, R4 R5、 为 30kΩ, R6 R7、 为 20kΩ12, 1. R8 与 75V 和 3. 25V 电源构成终端匹配器,安装在网络的起始端和终点端。 PC 机方面,是采用接口卡使 PC 机接人 CAN 总线,通过 PC 机与内部带有支持 CAN 协议接口 的单片机 MC68HC05X16 进行通讯,然后由单片机与总线通讯,最终实现 PC 与总线通讯,简化了 硬件设计,减少了系统故障的可能,其接口电路如图 2—3 所示。

采用 16V8 的 GAL 进行地址译码。并设有拨码开关,可进行地址段选择。8255 工作于方式 2, A 口作为双向输入口,C 口的 IBFA、STBA、ACKA 和 OBFA 作为 A 口控制口,分别与 MC68HC05X16 的 4 个 I/O 口 PB3~PB6 相连。 单片机通过查询接收 PA 口数据。 CAN 总线传来的数据经过单片 从 机转换后,由 IRQ2 向 PC 机申请中断,中断过程负责数据接收。 2.3 CAN 总线通讯协议及过程控制软件 系统中,根据检测系统的需要和 CAN 的帧结构,重点结合测量传感器和控制柜的功能要求, 对网络的通信协议进行了研究。CAN 总线采用帧格式以报文为单位进行数据传输,并采取位仲裁 的方式对总线进行访问, 即在报文起始部分发送节点标识符。 由于标识符惟一且与各节点一一对 应,故通过标识符可以实现对网络介质的访问控制。网络节点的优先级与节点标识符相对应,规 定主控机和控制台的优先级最高, 各传感器的优先级依重要性排列, 以保证网络的传输效率最高。 由于 CAN 总线标准数据帧的仲裁场有 11 位标识符,它主要用于解决总线上的碰撞问题,数 据帧标识符越小,其优先权越高。即当两帧数据同时由高位向低位发送时,一旦有不同的电平, 发送“凹槽”电平的数据帧将停止发送。这样,CAN 总线自身就解决了数据碰撞问题。系统中, 每个节点设立一个 8 位 DIP 开关,通过它可以方便的改变传感器单元地址,并且,以它代表的数 据作为该节点发送的数据帧的标识符的高 8 位。 从而依据节点的重要性安排其地址, 有效的解决 了碰撞和优先权问题。

根据检测系统的需要, 将指令分为通用指令和寻址指令, 通用指令是指所有收到指令的节点 都要执行的指令,寻址指令是指收到指令的节点只有相应地址的节点才执行的指令。由于 CAN 总线标准数据帧最多可带有 8 个字节的数据,将第一个字节作为地址(127 为通用的地址,带有 通用指令的数据帧第一个字节为 127),第二个字节作为指令字节,用于表示节点所要执行的动 作。 对于不同的节点,有时有些操作应对其封锁,甚至应禁止操作(如测量时应禁止对控制柜操 作),因此,设立了远地封锁/解封及相应的近地封锁/解封命令。封锁后的节点只有解封后, 才能够继续执行指令。 在每个节点处设立有控制开关, 以便通过本地操作实现近地封锁/解封命 令。这样,就进一步减少系统的误操作,增加了系统的安全性。 3 结束语 调试期间,为了测试系统的抗干扰能力,将上述通信网络系统置于强干扰环境中,经连续试 验,在 500m 距离,1Mbps 传输速率下,完全可以保证数据的可靠传输。 该系统利用 CAN 总线实时性、 灵活性好等特点, 较好的解决了在强干扰环境中大型自动检测 系统的数据通信可靠性问题。同时,由于采用多主机分布式控制结构,使网络功能十分灵活,通 过软件的编写,可以完成十分强大的功能,并可以进行扩展,这对于检测站功能的进一步完善及 其它控制工作的完成,有着十分重要的意义。目前该系统已用于南京 IVECO 车身视觉检测站、天 津夏利轿车及一汽大众车身的三维尺寸测量系统中。 [参考文献] 参考文献] [1] 阳宪慧.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999. [2] 张鑫.计算机分散控制系统[M].北京:水利电力出版社,1992. 作者简介: 作者简介:严辉(1978-),女,湖北黄冈人,硕士生,主要研究方向为工业现场检测与控制、智 能视觉传感技术等。 论文类别:推荐别人的作品 发布者 发布者:xilu222 发布时间 发布时间:2004-3-18 论文类别



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