基于CAN總線多視覺(jué)傳感器測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1引言

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)是以機(jī)器視覺(jué)為基礎(chǔ)的新型測(cè)試技術(shù)，因其具有測(cè)量非接觸、速度快、信息量大、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V等特點(diǎn)而受到歡迎。結(jié)構(gòu)光傳感器是應(yīng)用較早、發(fā)展較成熟的視覺(jué)傳感器，因此本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光傳感器來(lái)采集圖像并經(jīng)圖像采集卡送給計(jì)算機(jī)處理。由于視覺(jué)傳感器在視覺(jué)測(cè)量中擔(dān)負(fù)著視頻圖像信號(hào)（測(cè)量數(shù)據(jù)）的采集、切換與傳輸。因此，如何讓視覺(jué)傳感器測(cè)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(jué)傳感器的測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

2視覺(jué)系統(tǒng)的概述

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中采集被測(cè)物體圖像的視覺(jué)傳感器有單目和雙目?jī)煞N之分，本測(cè)控系統(tǒng)可以使用單目視覺(jué)傳感器也可以使用雙目視覺(jué)傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù)，本文主要討論由多個(gè)雙目視覺(jué)傳感器組成的多視覺(jué)傳感器測(cè)控系統(tǒng)，其中的每個(gè)視覺(jué)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(jué)傳感器，其結(jié)構(gòu)是由雙CCD 攝像機(jī)、一個(gè)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(tái)攝像機(jī)來(lái)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(lái)求取空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。當(dāng)被測(cè)工件較大需要不止一個(gè)視覺(jué)傳感器時(shí)，上述多個(gè)視覺(jué)傳感器加上多路視頻切換開(kāi)關(guān)就構(gòu)成了多視覺(jué)傳感器測(cè)控系統(tǒng)。如對(duì)汽車車身上的很多特征點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，就需要幾十甚至上百個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量，由于控制器局部網(wǎng)CAN（controllerareanetwork）總線具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)上最多能接110個(gè)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(jué)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(kāi)啟與關(guān)閉，為避免激光投射器使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)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(cè)量精度，當(dāng)傳感器開(kāi)始測(cè)量時(shí)，先上電初始化，再打開(kāi)激光器，測(cè)量完畢后即關(guān)閉以延長(zhǎng)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(gè)CAN接口卡，這里選用廣州周立功公司的USBCAN智能接口卡來(lái)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(guò)USB總線方便地連接至CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制各個(gè)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(cè)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(cè)試任務(wù)，較易于實(shí)現(xiàn)CAN-bus產(chǎn)品開(kāi)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(dòng)庫(kù)，支持WIN98、2000和XP操作系統(tǒng)并支持Linux平臺(tái)。用戶通過(guò)接口卡提供的ZLGVCI動(dòng)態(tài)開(kāi)發(fā)庫(kù)可以方便快捷的開(kāi)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(cè)物體的模擬視頻圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并由計(jì)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(shí)間，并可將圖像直接傳送的計(jì)算機(jī)內(nèi)存或顯存。

3CAN總線簡(jiǎn)介

CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)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(duì)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(jí)判別等項(xiàng)工作。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)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(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)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(gè)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(shí)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(zhǎng)度最多為8個(gè)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(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)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(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
為了滿足大尺寸物體的三維輪廓的檢測(cè)，本系統(tǒng)要求最少能帶64個(gè)傳感器，每個(gè)視覺(jué)傳感器里有兩個(gè)攝像機(jī)，即共有128路視頻輸入，而任一時(shí)刻系統(tǒng)只選取其中一路視頻圖像傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像采集處理，如對(duì)汽車車身周圍布置了幾十個(gè)傳感器來(lái)檢測(cè)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(cè)量其相應(yīng)的棱邊、孔表面的空間位置尺寸。視覺(jué)傳感器可以按要求順序進(jìn)行工作，也可以選取被測(cè)對(duì)象的特定點(diǎn)并通過(guò)CAN控制網(wǎng)絡(luò)選擇特定傳感器來(lái)檢測(cè)，計(jì)算機(jī)采集檢測(cè)點(diǎn)圖像并進(jìn)行處理，將計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)，從而得出視覺(jué)檢測(cè)的結(jié)果。