CAN總線在車身視覺檢測站中的應(yīng)用

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(shí)時(shí)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(jià)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(jì)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(jì)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(gè)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(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)控制各個(gè)傳感器，使其動(dòng)作相互協(xié)調(diào)；

（2） 自動(dòng)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(dòng)作；

（3） 手動(dòng)控制運(yùn)載小車的上述各種動(dòng)作；

（4） 位置傳感器能夠?qū)崟r(shí)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(dòng)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(gè)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(shí)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(dòng)發(fā)送報(bào)文，這樣就保證了信息處理的實(shí)時(shí)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(cuò)措施，具有強(qiáng)有力的錯(cuò)誤檢測功能，能自動(dòng)完成出錯(cuò)處理和應(yīng)答處理，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴；谏鲜鰞?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(gè)控制節(jié)點(diǎn)都對應(yīng)于一個(gè)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(gè)單片機(jī)都是控制網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)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(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)采用多主機(jī)結(jié)構(gòu)，即每一個(gè)節(jié)點(diǎn)也是一個(gè)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(cuò)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)?？偩€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(bào)文（往往因?yàn)樵l(fā)報(bào)文接收出錯(cuò)），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。

本系統(tǒng)中，根據(jù)檢測系統(tǒng)的需要和CAN的幀結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)結(jié)合測量傳感器和控制柜的功能要求，對網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議進(jìn)行了研究。CAN總線采用幀格式以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并采取位仲裁的方式對總線進(jìn)行訪問，即在報(bào)文起始部分發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符。由于標(biāo)識符唯一且與各節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)，故通過標(biāo)識符可以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的訪問控制。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級與節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符相對應(yīng)，規(guī)定主控機(jī)和控制臺的優(yōu)先級最高，各傳感器的優(yōu)先級依重要性排列，以保證網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率最高。

由于CAN總線標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的仲裁場有11位標(biāo)識符，它主要用于解決總線上的碰撞問題，數(shù)據(jù)幀標(biāo)識符越小，其優(yōu)先權(quán)越高。即當(dāng)兩幀數(shù)據(jù)同時(shí)由高位向低位發(fā)送時(shí)，一旦有不同的電平，發(fā)送“凹槽”電平的數(shù)據(jù)幀將停止發(fā)送。這樣，CAN總線自身就解決了數(shù)據(jù)碰撞問題。系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)立一個(gè)8位DIP開關(guān)，通過它可以方便的改變傳感器單元地址，并且，以它代表的數(shù)據(jù)作為該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識符的高8位。從而，依據(jù)節(jié)點(diǎn)的重要性安排其地址，有效的解決了碰撞和優(yōu)先權(quán)問題。

PC機(jī)方面，是采用接口卡使PC機(jī)接入CAN總線，通過PC機(jī)與內(nèi)部帶有支持CAN協(xié)議接口的單片機(jī)MC68HC05X16進(jìn)行通訊，然后由單片機(jī)與總線通訊，最終實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與總線通訊。其接口電路如圖3所示。

采用16V8的GAL進(jìn)行地址譯碼。并設(shè)有撥碼開關(guān)，可進(jìn)行地址段選擇。8255工作于方式2，A口作為雙向輸入口，C口的IBFA、STBA、ACKA和OBFA作為A口控制口，分別與MC68HC05X16的四個(gè)I/O口PB3~PB6相連。單片機(jī)通過查詢接收PA口數(shù)據(jù)。從CAN總線傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)轉(zhuǎn)換后，由IRQ2向PC機(jī)申請中斷，中斷過程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收。MC68HC05X16單片機(jī)工作流程如圖4所示：

在信道訪問方式的控制上，采用主從式與自由競爭式相結(jié)合的通信方式，即以PC機(jī)和控制臺作為主控節(jié)點(diǎn)，兩主控節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級與節(jié)點(diǎn)標(biāo)識符相對應(yīng)，主控節(jié)點(diǎn)命令及信息的發(fā)送可通過外部設(shè)置約定，也可通過自由競爭實(shí)現(xiàn)。

圖4 CAN接口轉(zhuǎn)換卡工作流程圖

3．結(jié)語

調(diào)試期間，為了測試系統(tǒng)的抗干擾能力，將上述通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)置于強(qiáng)干擾環(huán)境中，經(jīng)連續(xù)試驗(yàn)，在1000m距離，1Mbps傳輸速率下，完全可以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。