CAN總線在車身視覺檢測站中的應(yīng)用

控制器局域網(wǎng)CAN（ControllerAreaNetwork）是一種具有很高保密性，有效支持分布式控制及實(shí)時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線屬于現(xiàn)場總線范疇，與現(xiàn)有的其它總線相比，它屬于一種分散式、數(shù)字化、雙向、多站點(diǎn)、多變量的通信系統(tǒng)，具有通信速率高、可靠性強(qiáng)、連接方便、性能價格比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適用于分布式測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

計算機(jī)視覺檢測是目前正在發(fā)展的一種新型檢測技術(shù)。汽車車身視覺檢測站是用于測量車身關(guān)鍵點(diǎn)三維空間坐標(biāo)的大型專用檢測系統(tǒng)。其主要原理是通過視覺傳感器（Visual Sensor），采用三角法獲取車身表面點(diǎn)的信息，通過三維視覺算法求取各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，從而完成對車身各頂點(diǎn)位置、擋風(fēng)玻璃框尺寸、定位孔大小及位置、車門安裝處棱邊位置及走向等主要參數(shù)的測量。

本文結(jié)合CAN總線在汽車車身視覺檢測站中的應(yīng)用，研究了基于CAN總線的多主分布控制系統(tǒng)，并對該控制網(wǎng)絡(luò)的物理層接口、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議等作了較為詳細(xì)地說明。

1.車身視覺檢測站的工作過程及控制系統(tǒng)

汽車車身視覺檢測是目前正在發(fā)展的一種新型車身檢測方法。它是由機(jī)械及定位系統(tǒng)、三維視覺傳感器系統(tǒng)、測量控制與接口系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)以及計算機(jī)軟件五大部分組成。主要方法采用視覺傳感器，經(jīng)標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定后，通過控制系統(tǒng)選取被測點(diǎn)，采集圖像，結(jié)合視覺檢測算法，求出被測點(diǎn)坐標(biāo)等參數(shù)。汽車車身長寬高都是幾米范圍，被測控制點(diǎn)一般都要求在50個以上，網(wǎng)絡(luò)布線要求300米以上，系統(tǒng)中針對不同的測量對象，采用了單光條傳感器、多光條傳感器、十字叉絲傳感器和雙目立體視覺傳感器等，總數(shù)在50臺以上。檢測站的控制系統(tǒng)應(yīng)能對這些傳感器的動作進(jìn)行實(shí)時控制。此外控制系統(tǒng)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)對檢測站中的機(jī)械及定位系統(tǒng)的控制。根據(jù)需要檢測站的控制系統(tǒng)應(yīng)完成以下任務(wù)：

（1）主控機(jī)實(shí)時控制各個傳感器，使其動作相互協(xié)調(diào)；

（2）自動控制白車身運(yùn)載小車（用于將白車身運(yùn)送到被測工位）的前進(jìn)、后退、上升、下降、加速、減速等動作；

（3）手動控制運(yùn)載小車的上述各種動作；

（4）位置傳感器能夠?qū)崟r發(fā)送白車身的位置信息。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能，控制網(wǎng)絡(luò)主要由以下四部分構(gòu)成：

（1）主控機(jī)：微機(jī)，它為控制系統(tǒng)的核心；

（2）控制臺：完成手動控制運(yùn)載小車、接受位置傳感器信息并發(fā)送給主控機(jī)及執(zhí)行主控機(jī)指令等功能；

（3）CAN接口卡：完成主控機(jī)信號和CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)信號之間的轉(zhuǎn)換；

（4）傳感器控制部分：接受主控機(jī)指令，完成對傳感器的控制和向主控機(jī)發(fā)送傳感器狀態(tài)信息等功能。

系統(tǒng)中，主控機(jī)作為控制核心，負(fù)責(zé)傳感器和控制臺的管理?？刂婆_既能通過執(zhí)行主控機(jī)指令控制運(yùn)載小車，又能獨(dú)立控制，所以網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有多主機(jī)控制能力，CAN總線支持多主機(jī)方式，且能在低層解決數(shù)據(jù)碰撞問題，出于以上各方面考慮，系統(tǒng)采用CAN總線作為本控制網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)。

整個系統(tǒng)控制示意圖如圖1所示。

2．CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)

2.1 CAN總線技術(shù)簡介

CAN總線是80年代初德國Bosch公司為解決現(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。它有效支持分布式控制或?qū)崟r控制，并采用了帶優(yōu)先級的CSMA/CD協(xié)議對總線進(jìn)行仲裁，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。因此，CAN總線具有以下優(yōu)點(diǎn)：它可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)無主、從機(jī)之分，各節(jié)點(diǎn)均可主動發(fā)送報文，這樣就保證了信息處理的實(shí)時性，并使得CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的可靠性。此外，CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀信息都有校驗(yàn)及其它檢錯措施，具有強(qiáng)有力的錯誤檢測功能，能自動完成出錯處理和應(yīng)答處理，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。基于上述?yōu)點(diǎn)，CAN總線非常適用于抗強(qiáng)干擾的大型多機(jī)控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，由此將其應(yīng)用于汽車白車身尺寸激光視覺檢測站中。

2.2基于CAN的通訊網(wǎng)絡(luò)

在車身檢測站中，對各傳感器的數(shù)據(jù)采集及圖像處理等工作主要由PC機(jī)完成，為操作簡便，對機(jī)械部分的控制還應(yīng)能通過控制臺進(jìn)行。本系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)多，可靠性要求高，傳統(tǒng)的集中控制方式雖然功能集中，速度較快，但具有硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜（每個控制節(jié)點(diǎn)都對應(yīng)于一個I/O端口）、現(xiàn)場布線困難、擴(kuò)展能力低（受硬件端口數(shù)量限制）、故障診斷困難等缺點(diǎn)。

所以采用單片機(jī)作為直接控制單元，用于對傳感器的直接控制。每個單片機(jī)都是控制網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)直接掛接在數(shù)據(jù)總線上。PC機(jī)和控制柜也同樣各作為一個節(jié)點(diǎn)掛接在總線上，即控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有多主機(jī)控制能力，所以整個網(wǎng)絡(luò)采用多主機(jī)結(jié)構(gòu)，即每一個節(jié)點(diǎn)也是一個主機(jī)，通過主機(jī)之間的通訊以實(shí)現(xiàn)控制要求。為此采用總線型廣播式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用CAN靈活方便、支持多主機(jī)方式等優(yōu)點(diǎn)，建立控制網(wǎng)絡(luò)。不難看出，只要解決好“碰撞”問題，這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、安全系數(shù)高、靈活性好、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，可以充分滿足本檢測站的控制要求。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

根據(jù)所攜帶的信息類型不同，CAN總線共有四種幀格式：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)地幀、錯誤幀和超載幀。在本通訊系統(tǒng)中，主要用到數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)地幀。數(shù)據(jù)幀用于在發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接受節(jié)點(diǎn)之間傳送數(shù)據(jù)。總線上的接收節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送遠(yuǎn)地幀的方式，請求發(fā)送節(jié)點(diǎn)重發(fā)與該請求幀標(biāo)識符相同的報文（往往因?yàn)樵l(fā)報文接收出錯），遠(yuǎn)地幀與數(shù)據(jù)幀的區(qū)別是無數(shù)據(jù)場。遠(yuǎn)地幀的引入，使系統(tǒng)的服務(wù)請求、狀態(tài)查詢等工作得以簡化，可以通過發(fā)送遠(yuǎn)地幀，實(shí)現(xiàn)與響應(yīng)節(jié)點(diǎn)的鏈路連通和數(shù)據(jù)傳輸。