引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、光電檢測、圖像處理以及模式識(shí)別等各學(xué)科的不斷完善和互相滲透，視覺檢測技術(shù)作為一種多領(lǐng)域、各學(xué)科交叉的技術(shù)已取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它是以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)的新型測試技術(shù)，具有測量時(shí)非接觸、速度快、信息量大、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)。視覺檢測技術(shù)廣泛用于產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)測，自動(dòng)巡視商店、銀行或其他重要場所的安防監(jiān)視，產(chǎn)品的標(biāo)簽文字標(biāo)識(shí)檢查，紡織印染業(yè)中的自動(dòng)分色、配色，大型物體三維結(jié)構(gòu)尺寸的測量，各種復(fù)雜三維表面形狀的檢測、恢復(fù)重構(gòu)以及逆向工程等很多領(lǐng)域。視覺檢測系統(tǒng)通常是由計(jì)算機(jī)、視覺傳感器與控制系統(tǒng)三大模塊組成。對(duì)于多視覺傳感器大型實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，為了讓視覺檢測系統(tǒng)快速、精確地獲得理想的圖像信息，視覺傳感器的控制系統(tǒng)的作用尤為重要。視覺傳感器的控制系統(tǒng)根據(jù)其使用的串行控制總線標(biāo)準(zhǔn)不同，其控制與通訊的性能將不同。這里采用CAN （Controller Area Network） 總線作為系統(tǒng)的串行控制總線。

由于CAN 總線具有通訊速率高、實(shí)時(shí)性好、帶負(fù)載能力強(qiáng)、可靠性及抗干擾能力好、總線利用率高及硬件成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適于大型測試系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的通訊。因此，本文將基于CAN 總線分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，介紹多視覺傳感器的實(shí)時(shí)控制方法與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

視覺傳感器的檢測原理與系統(tǒng)組成

視覺檢測一般基于三角法，由攝像機(jī)、光源跟被測物體構(gòu)成測量三角，CCD 相機(jī)把光源投射到被測物體表面的經(jīng)過調(diào)制后的三維深度信息轉(zhuǎn)換成二維圖像傳給計(jì)算機(jī)再經(jīng)由圖像處理、特征提取等恢復(fù)解調(diào)出被測物體的三維形貌信息。如圖1 所示，簡單的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器可由一個(gè)平面結(jié)構(gòu)光投射器L 與一個(gè)CCD 攝像機(jī)A 組成，但當(dāng)被測物體表面曲率變化較大時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)死區(qū)現(xiàn)象，即光平面與物體表面的交線被旁邊的曲面遮擋，使攝像機(jī)無法看到該交線，以致測量信號(hào)消失。為避免由測量復(fù)雜表面物體時(shí)產(chǎn)生的死區(qū)現(xiàn)象，可用兩個(gè)相機(jī)A 和B 對(duì)稱分布于光平面兩側(cè)，接收光條的漫反射光。本例使用波長為650nm 的紅色激光器作為光源，因其與環(huán)境光反差大，干擾小，較易進(jìn)行圖像特征點(diǎn)的提取，雙目視覺傳感器組成的多視覺傳感器測量系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究其CAN 總線分布式網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。

圖2 給出了多視覺傳感器CAN 總線網(wǎng)絡(luò)控制檢測系統(tǒng)的基本組成原理。本系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，上位機(jī)為PC 機(jī)，下位機(jī)為8051 單片機(jī)控制單元（MCU） ，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，因此需要一個(gè)CAN 接口卡，這里選用USBCAN 智能接口卡來通信，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。

視覺傳感器的控制電路（MCU） 主要包括視頻切換、電源供給和CAN 通訊接口三個(gè)模塊。電源供給電路模塊提供CCD 攝像機(jī)、激光投射器與MCU的電源，并且由MCU 控制單元控制著它們的開啟與關(guān)閉。為了避免激光投射器使用時(shí)間過長導(dǎo)致激光器（ 或普通照明光源） 發(fā)熱引起光能分布不穩(wěn)或視覺傳感器受熱變形從而影響測量精度，以及延長投射器的使用壽命，我們采用如下的控制方式： 當(dāng)傳感器開始測量時(shí)，先上電初始化，再打開激光器，測量完畢后即關(guān)閉光源電源。由于每個(gè)傳感器里面含有一到兩個(gè)CCD 相機(jī)，而任一時(shí)刻傳感器只能輸出一路視頻信號(hào)，因此需要視頻切換開關(guān)對(duì)二路視頻信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)分時(shí)切換。

為了滿足大尺寸物體的視覺檢測需要，充分利用CAN 總線的特點(diǎn)，使整個(gè)控制系統(tǒng)具有積木式的可擴(kuò)充能力，本控制系統(tǒng)按最少能帶64 個(gè)傳感器的負(fù)載能力進(jìn)行了設(shè)計(jì)。如果設(shè)每個(gè)視覺傳感器里面都有兩個(gè)攝像機(jī)，即最多共有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)圖像采集卡進(jìn)行圖像采集處理，因此在圖2 每個(gè)視覺傳感器的單路視頻輸出處，需再加上一個(gè)多路視頻切換器，如圖3 所示，每8 個(gè)視頻輸入1 路視頻輸出作為一個(gè)視頻信號(hào)切換單元，實(shí)現(xiàn)8 選1 方式的視頻切換。那么按圖3 中的積木式連接方式，9 個(gè)單元就可驅(qū)動(dòng)64 路傳感器。每個(gè)視頻切換單元都有自己的CAN 總線接口，連接到整個(gè)控制系統(tǒng)的分布式網(wǎng)路上，與單個(gè)傳感器控制系統(tǒng)一起協(xié)同工作。我們采用8 選1 視頻切換為一個(gè)單元，采用積木式結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充，主要是考慮到在實(shí)際的多視覺傳感器測量系統(tǒng)中，對(duì)于具體不同的測量對(duì)象，使用的傳感器的數(shù)目可能不同。這種方式的最大優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)使用的傳感器的多少進(jìn)行自由組合。

在檢測系統(tǒng)中，我們分別采用了MAXIM 公司的視頻復(fù)用放大器max4313 和max4315 進(jìn)行多路視頻信號(hào)的切換傳輸。在雙目視覺傳感器內(nèi)部用單片機(jī)控制max4313 進(jìn)行二選一視頻切換。max4313 和max4315 是低功耗高速多路視頻復(fù)用放大器，增益均為+ 2V/ V ，具有通道切換速度快、切換瞬變低、差分增益誤差低、相位誤差小等良好的視頻特性，本例中用±5V 的雙電源供電。由于視頻信號(hào)頻率較高，頻帶較寬，因此當(dāng)兩路視頻信號(hào)相距較近時(shí)容易產(chǎn)生串?dāng)_，為了盡量減小串?dāng)_，要把數(shù)字模塊與視頻切換模塊在一個(gè)板子上分成二個(gè)區(qū)域，以及盡可能減少視頻引線的長度并注意使用75Ω 匹配電阻，視頻引線使用帶屏蔽層的優(yōu)質(zhì)視頻同軸電纜。

傳感器節(jié)點(diǎn)硬件接口

傳感器節(jié)點(diǎn)控制電路的CAN 總線接口主要由微控制器、CAN 控制器和CAN 收發(fā)器構(gòu)成。CAN控制器實(shí)現(xiàn)了CAN 通訊中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，提供了與微控制器和總線的物理線路接口，這樣用戶只需編寫符合自己通訊和控制要求的應(yīng)用層協(xié)議即可。本系統(tǒng)中微控制器使用Philips 公司的8 位增強(qiáng)型單片機(jī)P89C668 ，CAN 控制器和總線驅(qū)動(dòng)器分別采用Philips 公司的SJA1000 、PCA82C250 來構(gòu)成典型的CAN 通訊節(jié)點(diǎn)。其硬件電路原理如圖4 所示。

電路的核心部分是P89C668 單片機(jī)，它以80C51為內(nèi)核，具有ISP （在系統(tǒng)編程） 和IAP （在應(yīng)用編程） 功能的片內(nèi)Flash 存儲(chǔ)器，片內(nèi)Boot ROM 包含底層FLASH 編程子程序，可以實(shí)現(xiàn)通過串行口下載升級(jí)程序。數(shù)顯部分用兩片74HC164 驅(qū)動(dòng)兩個(gè)共陰極數(shù)碼管以顯示選擇第幾個(gè)傳感器進(jìn)行檢測任務(wù)。，這里不再贅述。需要注意的是，本例中SJA1000 的12MHz 的晶振由P89C668 的外部晶振產(chǎn)生電路同時(shí)提供； 總線傳輸介質(zhì)（ 這里采用雙絞線） CANH、CANL 之間要加上120Ω的終端匹配電阻才能保證總線的正常通訊。

傳感器節(jié)點(diǎn)的CAN總線軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的CAN 總線軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分： CAN 節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。CAN 節(jié)點(diǎn)的通訊實(shí)質(zhì)上就是對(duì)CAN 控制器內(nèi)部各寄存器進(jìn)行讀寫，由于這些寄存器或發(fā)送、接收緩沖器均有確定的地址，CPU 可通過外設(shè)訪問指令對(duì)它們進(jìn)行讀寫操作。CAN 總線通訊的成功與否重點(diǎn)是SJA1000 的初始化設(shè)置，初始化程序通過將CAN 控制器的寄存器寫入控制字，確定CAN 的工作方式。用P89C668 的P217 作為片選信號(hào)與SJA1000 的CS引腳相連，SJA1000 的片內(nèi)寄存器和P89C668 單片機(jī)寄存器是重疊編址的，因此SJA1000 寄存器尋址時(shí)要定義成片外RAM 尋址。

由于視覺傳感器檢測系統(tǒng)要進(jìn)行的視覺檢測任務(wù)多為在線檢測，實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)，這里各傳感器節(jié)點(diǎn)采用中斷接收方式接收上位機(jī)的控制命令，節(jié)點(diǎn)初始化后，當(dāng)收到上位機(jī)發(fā)出的一幀信息后，判斷其報(bào)文標(biāo)志符是否符合自己的接收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器的設(shè)置，若不符則不接收，若通過則確認(rèn)為本節(jié)點(diǎn)應(yīng)收信息后裝入接收緩沖器，SJA1000 的INT 腳會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，該信號(hào)連接到單片機(jī)P89C668 的外部中斷0 引腳，在外部中斷0中斷處理程序執(zhí)行如圖5 所示的程序流程，讀出接收緩沖器的數(shù)據(jù)并保存在RAM 中，并啟動(dòng)本視覺傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量。

系統(tǒng)中發(fā)送報(bào)文采用查詢方式，傳感器節(jié)點(diǎn)在收到主控機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令后發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送模塊首先進(jìn)行狀態(tài)查詢，判定總線是否空閑，如空閑，則將目的節(jié)點(diǎn)地址寫入發(fā)送標(biāo)志符寄存器，數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器，完成一幀CAN 信息發(fā)送。若同時(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)都向總線發(fā)送報(bào)文，且都符合驗(yàn)收濾波器的設(shè)置，則報(bào)文標(biāo)識(shí)碼的二進(jìn)值越低的報(bào)文優(yōu)先級(jí)越高，從而在總線仲裁過程中首先占據(jù)總線訪問的優(yōu)先權(quán)。系統(tǒng)軟件采用Keil C51 語言來編寫，具有模塊化功能強(qiáng)且簡潔易讀等特點(diǎn)。CAN 控制器的發(fā)送緩沖區(qū)被分為描述符區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)兩部分，描述符區(qū)的第一個(gè)字節(jié)是幀信息字節(jié)，它說明了幀格式（標(biāo)準(zhǔn)幀或擴(kuò)展幀） 、遠(yuǎn)程幀或數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)的長度，擴(kuò)展幀有四個(gè)字節(jié)的標(biāo)志符，數(shù)據(jù)區(qū)最多長八個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，存有實(shí)際要發(fā)送的數(shù)據(jù)。本例中只用到前兩個(gè)數(shù)據(jù)，第一個(gè)表示傳感器地址，第二個(gè)字節(jié)表示選擇傳感器里的兩路攝像機(jī)中的哪一路采集圖像。

CAN 節(jié)點(diǎn)之間通訊成功的另一個(gè)關(guān)鍵是波特率的設(shè)置，不僅CAN 總線上的各下位機(jī)節(jié)點(diǎn)要設(shè)置相同的波特率，總線與上位PC 機(jī)相連的USBCAN 接口卡也要有相同的波特率，這樣才能保證通訊暢通。由于USBCAN 接口卡內(nèi)的CAN 控制器SJA1000 用的是16MHz 的晶振，而各傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)的SJA1000與P89C668 使用12MHz 的晶振，因此對(duì)于不同的通訊速率一定要計(jì)算出兩種晶振都相一致的總線時(shí)序寄存器BTR0 、BTR1 來設(shè)置總線波特率。本例中使用400kbps 作為總線通訊的波特率，效果很好。

結(jié)束語

本文主要著重于多視覺傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。鑒于CAN 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良性能，能夠快速、可靠地交換信息，特別適合多通訊節(jié)點(diǎn)的互連，形成多主機(jī)控制器局部網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)表明控制系統(tǒng)能做到各個(gè)視覺傳感器的快速切換傳輸視頻圖像，且切換時(shí)圖像抖動(dòng)小，效果好。該系統(tǒng)具有較好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力，在系統(tǒng)工作過程中靈活地增減一些傳感器節(jié)點(diǎn)不會(huì)影響系統(tǒng)工作，只需對(duì)主控軟件進(jìn)行少量修改即可。本控制系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是：傳感器的照明燈的電源功率大小可以由計(jì)算機(jī)通過CAN 總線由傳感器控制單元自動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境光強(qiáng)的變化。本文所設(shè)計(jì)的多視覺傳感器測控系統(tǒng)，可以廣泛用于各種工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)在線視覺測量系統(tǒng)中。

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