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1、网络化多视觉传感器检测系统的应用研究4 吴晔1 张本宏2 1 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院安徽合肥2 3 0 0 0 9 2 合肥工业大学计算机与信息学院安徽合肥2 3 0 0 0 9 摘要：本文讨论了多视觉传感器C A N 总线检测系统的架构与设计方法，给出了C A N 总线视觉传 感器和多路视频信号切换器的具体实现，以及C A N 6 - 线接口电路与网络通讯的软件设计。实验结果表 明，使用C A N 总线通信实现网络化多视觉传感器的分布式检测与控制，非常适用于分布式大型测试系 统及类似系统应用。 关奠词：C A N 总线视觉检测视觉传感器视频切换器分布式网络系统 1 引言 随着计算
2、机技术、微电子学、光电检测以及图像处理等学科的发展应用和互相渗透，视觉检测技术的 检测方法和手段，取得了突飞猛进的发展。视觉检测技术具有测量时非接触、速度快、信息量大、精度高、 应用领域广等特点，广泛应用于产品的在线检测、快速测量、逆向工程等主动、实时测量领域，特别适用 于大批量生产过程中的质量检测与控制。更重要的是，由多个视觉传感器可以组建一个柔性的空间三坐标 检测系统( 或称为多视觉检测系统) 以完成对大型物体和复杂表面形状的三维空间的全自动实时测量，这 也是当前结构光三维视觉检测应用中的主要研究内容”J 【“。 视觉检测系统通常是由计算机、视觉传感器与控制系统三个部分组成。视觉传感器在视
3、觉检测系统中 以图像信号( 模拟或数字) 传感的方式对被测对象的被测要素进行感知；控制系统主要承担对视觉传感器 进行时序控制、图像信号的切换、控制命令和参数的传输等任务；计算机主要完成图像信号的数据采集与 处理等。 2 双目视觉传感器的检测原理与设计 视觉检测系统中采集被测物体图像的视觉传感器结构有多种结构形式，根据照明光源的形式可分为结 构光主动视觉传感器与被动视觉传感器；根据视觉传感器中所包含的摄像机的数目，可分为单目、双目和 多目( 三目以上) 视觉传感器。简单的结构光视觉传感器可由一个平面结构光投射器P 与一个C C D 摄像机 ( 单目) 组成，但当被测物体表面曲率变化较大时，有时会
4、出现死区现象，即光平面与物体表面的交线被 旁边的曲面遮挡，使得摄像机无法看到该交线，以致该处测量信号缺失。为避免对测量复杂表面物体时可 能产生的死区现象，可以采用双日视觉传感器，且大都采用对称式结构，即选用完全相同的两个C C D 摄像 机，两摄像机镜头焦距及其光轴倾角一致以简化结构设计，如图1 所示。两个摄像机L ( 左边) 和R ( 右边) ， 对称分布于光平面P 两侧，接收光条会产生漫反射光，这种双目主动和被动视觉传感器最为常用。本文也 + 基金赍助：国家自然科学基金资助项目( 5 0 2 7 5 0 4 9 ) 作者偷介：吴晔( 1 9 6 3 一) ，男，副教授，主要从事汽车电子、工
5、业过程控制等方面的研究和教学工作。 张本宏( 1 9 7 2 一) ，男，讲师，在读博士，主要研究方向为分布式控制系统。 9 3 2 计算机技术与应用进展2 0 0 6 采用双目视觉传感器组成的多视觉传感器检测系统为研究对象，研究C A N 总线网络化多视觉传感器检测系 统的应用技术。 R 酰k 降刊= ! P ；l 掉帆 邋列酬一二：= ：隐“平 围1 双目视觉传感器测量示意图图2 单视觉传感器检测系统结构图 对于多视觉传感器实时检测系统，为了快速、准确地获取理想的图像信息，需要系统能够有效地实施 对多视觉传感器感知的图像信号的传输动作进行控制，以使其动作相互协调有序。为此，采用了高可靠性
6、的C A N 总线作为多视觉传感器间的网络通信标准，实现多视觉传感器与上位计算机及多视觉传感器之间的 数据通信的需要。 控制器局域网C A N ( C o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k ) 总线是一种具有高性能、高可靠性、有效支持分布式控 制和实时控制的串行通讯网络，支持分散式、数字化、双向、多站点的通讯系统应用。C A N 总线的通信介 质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维，通信速率可达I M b p s 4 0 m ，通信距离可达1 0 k m 4 0 K b p s 。由于其 通信速率高，可靠性好以及价格低廉等特点，使其特别适合中小规模的分布式测试
7、系统的数据通讯和J 二业 过程监控设备的互联等。C A N 总线基本特点见参考文献”。 图2 给出了单个双目视觉传感器C A N 总线网络检测系统的基本组成和结构示意图。系统采用主从式结 构，上位机为P C 计算机，下位机采用内嵌C A N 控制器的8 0 5 1 系列单片机为主控单元，上、下位机之间用 C A N 总线进行数据通信。选用U S B C A N 智能接口卡，使上位机P C 通过U S B 总线方便地连接至C A N 总线 网络，实现与其它C A N 节点互联。 视觉传感器的控制电路包括视频切换、电源控制和C A N 总线通信接口三部分。电源控制部分提供C C D 摄像机、激光投
8、射器与M C U 等工作电源，其中激光投射器工作电源要求是可以调节和控制的，目的一是为 了满足不同投射器的工作电压需求，二是激光投射器的功率较大，为了避免激光投射器使用时间过长而发 热，从而引起光能分布不稳定，甚至视觉传感器可能因受热变形而影响到测量精度，三是能够延长投射器 的使用寿命。激光投射器和摄像机的工作电源必须分别提供，以减少对摄像机工作可能引起的干扰。 激光投射器工作电源根据M C U 的P W M 功能，采用P W M 电路实现调节和控制。当需要调节激光器的 功率大小时，上位机P C 可以通过C A N 总线，根据测量现场的环境要求，设置合适的P W M 参数，在线实 时实现激光投
9、射器工作电源大小的自动调节。当传感器开始测量时，开启激光器工作电源；测量完成后关 闭其工作电源。每个双目视觉传感器包含两个C C D 摄像机而任一时刻传感器只能提供一路视频信号，故 需要通过视频切换开关二选一，实现二路视频信号输出的自动切换功能。 3 网络化多视觉传感器检测系统的应用设计 为了满足大型物体和复杂表面形状的视觉检测需要，往往需要多个视觉传感器进行检测，相互协调工 作才能完成检测任务。由于设计的每个双目视觉传感器具有C A N 总线接口，能够充分利用C A N 总线灵活 性的特点，使得C A N 总线网络化多视觉传感器检测系统的结构紧凑、扩展方便，特别适合分布式、实时应 用的要求。
10、图3 给出了C A N 总线网络多视觉传感器检测系统结构示意图。 考虑到多视觉传感器检测系统的应用要求，系统设计采用积木式方式，能够根据检测系统的需要，选 择扩展多视觉传感器的数量，设计的多路视频切换器最多允许接人“个视觉传感器，必要对可以根据检测 系统需要进一步扩展。多视觉传感器检测系统根据需要由上位机P C 控制选择某个视觉传感器的图像信号处 理，并将其视频图像传输到P C 机的图像采集卡进行数据采集。同时由P C 机完成图像数据处理和视觉算法 等工作j 提取出被检测关键点的特征数据，完成检测任务要求。 图3C A N 总线用络多视觉传感器检测系统结构田 多路视频切换器是由于需要使用多个视
11、觉传感器而设计的，图4 给出了视频多路切换器设计原理示意 图。L E D 数码管主要显示选择视觉传感器的切换工作状态，地址选择采用拨动开关设置，确定每个视觉传 感器的C A N 节点通信I D ( i d e n t i f i e r ) ，拨动开关直接安装在面板上，方便操作设置。 图4 多路视频切换器设计原理示意圉 具体电路设计需要考虑到视频信号是高频信号，必须注意数字电路部分与视频切换电路部分的干扰问 题，尽可能减少视频引线的长度，视频引线要使用带屏蔽层的视频线( 7 5 欧姆阻抗) 。 4 C A N 总线接口的设计 C A N 总线接口由C A N 控制器和C A N 收发器构成。C
12、 A N 控制器实现C A N 总线通信中物理层和数据链 路层的功能，用户根据通信要求只需编写满足通信和控制要求的应用层协议即可。 核心芯片M P U 选用A T M E L 公司的内嵌C A N 接口的高性能8 位微处理器A T 8 9 C 5 1 C C 0 1 。其主要特点 具有8 0 C 5 1 内核，最高支持4 0 M H Z 晶振；2 5 6 字节片内R A M ，1 0 2 4 字节片内S R A M ，3 2 K 片内F L A S H ， 2 K 片内E E P R O M ；全功能标准C A N 控制器，支持D e v i c e N e t 、C A N O p e n
13、等协议应用；2 K 字节内置B o o t i o a d e r ( F L A S H 高端) ，支持在应用系统编程( I A P 1 S P ) 等，详细资料见参考文献f 4 】。 无论从数据处理能力，程序存储容量，还是片内资源以及网络通信能力等方面，A T 8 9 C 5 1 C C 0 t 都是一 款出色的微处理器，非常适用工控和汽车电子等特殊应用领域。 C A N 收发器选用P H I L I P 公司的T J A l 0 4 0 芯片，它是P 8 2 C 2 5 0 的更新换代产品，在通信速率，容错性 等方面有更大优势，而且与P 8 2 C 2 5 0 和T J A l 0 5
14、0 的物理层完全兼容，A T 8 9 C 5 1 C C 0 1 使得C A N 接口电路设 计非常简化且可靠性更高。 I A P I S P 技术在许多高性能微处理器中得到应用，其突出特点是方便快捷的实现程序的下载和更瓿。 A T 8 9 C 5 I C C 0 1 的F L A S H 空间高端0 X 7 8 0 0 0 X 7 F F F 具有2 K 字节的B o o t l o a d c r 程序，支持C A N B o o t l o a d e r 和U A R T - B o o f l o a d e r 两种I A P I S P 方式。上电后可以通过软件和硬件置位方法进入
15、B o o t l o a d e r 程序，通过 9 3 4计算机技术与应用进展- 2 0 0 6 A T M E L 公司提供的编程软件F L I P ( 最新的版本为2 2 4 ) ，就可以实现程序的在线升级。当然用户还可以根 据需要依据A T M E L 提供的协议，自己编写B o o f l o a d e r 程序。本节点选用的是U A R T - B o o t l o a d e r ，通过拨码 开关选择A L E ，P S E N ，E A 三种信号状态，实现I A P I S P 功能，C A N 总线接口原理图电路如图5 所示。 图5C A N 总线接口简化原理圈电路 A
16、 T M E L C A N 控制器完全兼容C A N 2 0 A 和C A N 2 0 B 规范，能够处理所有帧类型( 数据，远程，出错， 过载) ，并且最大支持1 M b p s 传输速率。与P H I L I P 公司通用的C A N 控制器S J A l 0 0 0 接收，发送缓冲区的组 织结构不同，A T M E LC A N 采用的是通道( M e s s a g eO b j e c t ) 和邮箱( M a i l b o x ) 的机制。共有1 5 个独立的 通道( M e s s a g eO b j e e t 0 M e s s a g eO b j e e t l 4 ) ，每个通道的结构相同，是帧信息收发处理缓冲区，由2 0 个字 节存储单元构成。对通道的访问通过邮箱寄存器( C A N P A G E ) 选择相应的通道和对应通道数据区的首地 址实现。A T M E LC A N 邮箱和通道结构详细见参考文献【4 。 图6A T M E LC A N 邮箱和通道结构示意图 网络化多视觉传感器检测系统的应用研究
