前言 汽車車身視覺檢測站是用于測量車身關鍵點的三維空間坐標的大型的專用檢測系統(tǒng)。它由機械及定位系統(tǒng)、三維視覺傳感器系統(tǒng)、測量控制與接口系統(tǒng)、標定系統(tǒng)以及計算機軟件五大部分組成。主要方法采用結構光傳感器，經(jīng)標定系統(tǒng)標定后，通過控制系統(tǒng)選取被測點，采集圖像，結合視覺檢測算法，求出被測點坐標參數(shù)。為進行測量，必須把計算機與傳輸器聯(lián)系起來。檢測人員應能通過計算機選擇測點，使傳感器按預先設定的順序進入測量狀態(tài)，產(chǎn)生測量用的光條平面，還應能夠隨時調整測量順序，并實現(xiàn)對光源的實時控制及圖像部分的多用戶采集。 控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）是一種具有很高保密性，有效支持分布式控制及實時控制的串行通信網(wǎng)絡。CAN總線屬于現(xiàn)場總線范疇，與現(xiàn)有的其他總線相比，屬于一種分散式、數(shù)字化、雙向、多站點、多變量的通信系統(tǒng)，具有通信速率高、可靠性強、連接方便、性能價格比高等諸多優(yōu)點，非常適用于分布式測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。 一、視覺檢測原理及視覺檢測站控制系統(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。其主要原理是利用計算機視覺技術，采用主動三角法獲取車身表面點的信息，通過三維視覺算法求取各關鍵點的坐標，從而完成對車身各頂點位置、擋風玻璃框尺寸、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。 由于汽車車身長寬高都是幾m（米）范圍，被測點一般都要求在50個以上，網(wǎng)絡布線要求300m以上，此外控制系統(tǒng)還應實現(xiàn)對檢測站中的機械及定位系統(tǒng)的控制。整個控制系統(tǒng)應具有一定的擴展和適應能力，以便于其他控制單元的加入。 本系統(tǒng)中，針對不同的測量對象，采用不同類型的傳感器，總數(shù)在50臺以上。檢測站的控制系統(tǒng)應能對這些傳感器的動作進行實時控制，以使其動作相互協(xié)調。另外，本測量系統(tǒng)將用于汽車生產(chǎn)線，車身先由吊車放到運放小車上，然后由小車運送到檢測站內。吊車及運送小車由直流電機驅動，它們的動作應該既可以通過主機鍵盤控制，也可以通過檢測站中的控制柜直接控制。由于以上各方面的考慮，我們決定采用CAN總線作為本控制網(wǎng)絡的通信標準。圖3 接口卡原理示意圖 二、網(wǎng)絡拓撲結構與CAN總線 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CP機完成，為操作方便，對機械部分的控制還應能通過控制臺進行。本系統(tǒng)控制節(jié)點多（50個以上），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，但具有硬件結構復雜、現(xiàn)場布線困難、擴展能力低等缺點，所以我們采用單片機作為直接控制單元，用于對傳感器的直接控制。每個單片機都是控制網(wǎng)絡上的一個節(jié)點，各節(jié)點直接掛接在數(shù)據(jù)總線上。PC機和控制框也同樣各和為一個節(jié)點掛接在總線上，即控制網(wǎng)絡應具有多主機控制能力。所以整個網(wǎng)絡采用多主機結構，即每一個節(jié)點也是一個主機，通過主機間的通信以實現(xiàn)控制要求。為此，我們決定采用總線型的網(wǎng)絡拓撲結構，利用CAN靈活方便、支持多主機方式等特點，建立控制網(wǎng)絡。不難看出，只要解決好“碰撞”問題，這種方法有結構簡單、安全系數(shù)高、靈活性好、易于擴展等特點，可以充分滿足本檢測站的控制要墳?？刂凭W(wǎng)絡的結構示意圖如圖2所示。 現(xiàn)有微機一般都配有兩個串行接口，其機械特性和電器特性均符合RS-232C標準。由于RC-232C標準采用單端電路，極易引入附加電平，并且負載電容不能大于2500pF，傳輸距離和速度都非常有限；而CAN總線這些方面都遠遠超過RS-232C。CAN總線是一個智能化的總線，具有自我管理的功能，能夠有效地支持多主機分布式控制，能夠良好地解決“碰撞”問題，并具有傳輸速率高（可達1Mbps）、傳輸距離長（可達1000m）、信號的傳輸精度高（<0.01%）等優(yōu)點。另外，采用循環(huán)冗余CRC校驗及獨特的數(shù)據(jù)信號表示，使其具有錯誤判別及自動重發(fā)功能，漏檢錯誤概率低于5×10 -11。所以，我們采用了CAN總線。由于CAN總線優(yōu)良的性能和智能化的管理，保證了整個檢測站在惡劣環(huán)境下的正常工作。 在信道訪問控制上，采用主從式與自由競爭式相結合的放手式通信方法，即以PC主處理機和控制臺作為主控制節(jié)點，兩主控節(jié)點的優(yōu)先級與節(jié)點標總符相對應，主控節(jié)點命令及信息的送可通過外部設置約定，也可通過自由競爭實現(xiàn)。 在PC 機方面，采用接口卡使PC機跨入總線，其接口電路如圖3所示。這里，并行接口采用8255A可編程外圍接口芯片，接口邏輯及CAN轉換主要由 MC68HC05X16單片機控制。工作中，信息由PC機數(shù)據(jù)總線送出，經(jīng)8255A的PA口進入單片機，在單片機的控制下將并行輸入的信號轉換為CAN 總線輸出。這里，采用16V8的GAL進行地址譯碼并實現(xiàn)部分邏輯關系。 在傳感器和控制框通信接口方面，選用了MC68HC05X16單片機。由于MC68HC05X16自身帶CAN接口，簡化了硬件設計，減少了系統(tǒng)故障，增加了通信的可靠性與安全性。本系統(tǒng)硬件設計為128個節(jié)點（可以設計為更多），可以充分滿足檢測站50個節(jié)點的要求，并且可以進一步擴展，加入新的檢測設備和檢測點。 三、CAN總線通信協(xié)議 針對測量系統(tǒng)的需要，我們采用了多主機通信方式。該方式可以充分發(fā)揮每個主機的作用，很容易使各個節(jié)點之間建立起數(shù)據(jù)聯(lián)系，任意兩個節(jié)點之間都可以根據(jù)需要進行通信。通信與控制都非常簡單，可以充分滿足本檢測站迅速、可靠、實時性的要求。根據(jù)檢測系統(tǒng)的需要和CAN幀結構，重點結合測量傳感器和控制柜的功能要求，我們對網(wǎng)絡的通信協(xié)議進行了研究和設計。 本系統(tǒng)中，CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳輸，并采取位仲裁的方式對總線進行訪問，即在報文起始部分發(fā)送節(jié)點標總符。CAN總線的標準數(shù)據(jù)幀的仲裁場有 11個位標識符，它主要用于解決總線上的碰撞問題。數(shù)據(jù)幀標識符越小，數(shù)據(jù)幀具有越高的優(yōu)先權。也就是說，當兩幀數(shù)據(jù)同時由高位向低位發(fā)送時，一旦有不同的電平，發(fā)更新“凹槽”電平（recessive level）的數(shù)據(jù)幀將停止發(fā)送，而發(fā)送“主控”電平（dominant level）的數(shù)據(jù)幀將繼續(xù)發(fā)送，這樣，CAN總線自身就解決了碰撞問題。我們在每個節(jié)點設計了一個8位DIP開關，通過這個開關可以方便地改變傳感器地址，并且，以它代表的數(shù)據(jù)作為該節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的標識符的高8位。這樣，地址越小的節(jié)點，其發(fā)送的數(shù)據(jù)就具有越高的優(yōu)先權。根據(jù)節(jié)點的重要性安排地址，有效地解決了碰撞和優(yōu)先權的問題。 四、采用CAN總線的過程控制軟件 根據(jù)檢測系統(tǒng)的需要，將指令分為通用指令和尋址指令：通用指令是旨所有收到指令的節(jié)點都要執(zhí)行的指令；尋址指令是指收到指令的節(jié)點只有相應地址的節(jié)點才執(zhí)行的指令。由于CAN總線標準數(shù)據(jù)幀最多可帶有8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，們將第一個字節(jié)作為地址（127為通用的地址，帶有通用指令的數(shù)據(jù)幀第一個字節(jié)為127），第二個字節(jié)作為指令字節(jié)，用于表示節(jié)點所要執(zhí)行的動作。表1為本系統(tǒng)中所用到的部分代碼及其意義。 對于不同的節(jié)點，有時有些操作應對其封鎖，甚至應禁止操作（如測量時應禁止對控制柜操作）因此，我們設立了遠地封鎖/解封及相應的近地封鎖/解封命令。封鎖后的節(jié)點只有解封后，才近地封鎖/解封命令。封鎖后的節(jié)點只有解封后，才能夠繼續(xù)執(zhí)行指令。我們在每個節(jié)點處設立有控制開關，以便通過本地操作實現(xiàn)近地封鎖/解封命令。這樣，就進一步減少了本系統(tǒng)的誤操作，增加了系統(tǒng)的安全性。圖4、圖5分別為傳感器、控制柜方面的工作流程圖。 為了能夠準確掌握各節(jié)點的狀態(tài)，以便及時發(fā)現(xiàn)錯誤，并作出相應調整，在每個節(jié)點都設有節(jié)點狀態(tài)字。通過通信，可以讓節(jié)點報告各自的工作狀態(tài)。如出現(xiàn)故障或非法操作，則通過PC機報警，并且PC機定期查詢各節(jié)點，如發(fā)現(xiàn)通信故障，則報警。 結束語 為了測試本系統(tǒng)的通信能力及抗干擾性，我們將通信線路置于強干擾環(huán)境中，經(jīng)連續(xù)測試實驗，在500m傳輸距離、2Mbps傳輸速率下，完全可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴? 本系統(tǒng)用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Field Bus Control System）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Conutrol System），實現(xiàn)了現(xiàn)場通信網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)的集成。由于采用CAN總線，支持多主機方式，具有非破壞性的錯誤界定。CAN沒有定義物理層的驅動器、接收器特性，便于用戶根據(jù)具體需要對發(fā)送媒體和總線的電平進行定義，使網(wǎng)絡功能十分靈活。通過軟件的編寫，可以完成十分強大的功能，并可以進行擴展，這對于檢測站功能的進一步完善及其他控制工作的完成，有著十分重要的意義。