多視覺傳感器CAN總線檢測系統(tǒng)的設計

引 言

隨著計算機技術、人工智能、光電檢測、圖像處理以及模式識別等各學科的不斷完善和互相滲透，視覺檢測技術作為一種多領域、各學科交叉的技術已取得了突飛猛進的發(fā)展，它是以機器視覺為基礎的新型測試技術，具有測量時非接觸、速度快、信息量大、應用領域廣等特點。視覺檢測技術廣泛用于產品質量在線監(jiān)測，自動巡視商店、銀行或其他重要場所的安防監(jiān)視，產品的標簽文字標識檢查，紡織印染業(yè)中的自動分色、配色，大型物體三維結構尺寸的測量，各種復雜三維表面形狀的檢測、恢復重構以及逆向工程等很多領域。視覺檢測系統(tǒng)通常是由計算機、視覺傳感器與控制系統(tǒng)三大模塊組成。對于多視覺傳感器大型實時測量系統(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)根據其使用的串行控制總線標準不同，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、實時性好、帶負載能力強、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，非常適于大型測試系統(tǒng)控制網絡的通訊。因此，本文將基于CAN 總線分布式網絡控制技術，介紹多視覺傳感器的實時控制方法與控制系統(tǒng)的設計。

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、光源跟被測物體構成測量三角，CCD 相機把光源投射到被測物體表面的經過調制后的三維深度信息轉換成二維圖像傳給計算機再經由圖像處理、特征提取等恢復解調出被測物體的三維形貌信息。如圖1 所示，簡單的結構光視覺傳感器可由一個平面結構光投射器L 與一個CCD 攝像機A 組成，但當被測物體表面曲率變化較大時，有時會出現死區(qū)現象，即光平面與物體表面的交線被旁邊的曲面遮擋，使攝像機無法看到該交線，以致測量信號消失。為避免由測量復雜表面物體時產生的死區(qū)現象，可用兩個相機A 和B 對稱分布于光平面兩側，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，較易進行圖像特征點的提取，雙目視覺傳感器組成的多視覺傳感器測量系統(tǒng)為研究對象，研究其CAN 總線分布式網絡控制技術。

圖2 給出了多視覺傳感器CAN 總線網絡控制檢測系統(tǒng)的基本組成原理。本系統(tǒng)采用主從式結構，上位機為PC 機，下位機為8051 單片機控制單元(MCU) ，上、下位機之間用CAN 總線進行通訊，由于PC 機中并不帶CAN 總線接口，因此需要一個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。這樣，PC 可通過USB 總線方便地連接至CAN 總線網絡，控制各個CAN 節(jié)點，進行數據采集和處理。

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 通訊接口三個模塊。電源供給電路模塊提供CCD 攝像機、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閉。為了避免激光投射器使用時間過長導致激光器( 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： 當傳感器開始測量時，先上電初始化，再打開激光器，測量完畢后即關閉光源電源。由于每個傳感器里面含有一到兩個CCD 相機，而任一時刻傳感器只能輸出一路視頻信號，因此需要視頻切換開關對二路視頻信號進行自動分時切換。

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，使整個控制系統(tǒng)具有積木式的可擴充能力，本控制系統(tǒng)按最少能帶64 個傳感器的負載能力進行了設計。如果設每個視覺傳感器里面都有兩個攝像機，即最多共有128 路視頻輸入，而任一時刻系統(tǒng)只選取其中一路視頻圖像傳給計算機圖像采集卡進行圖像采集處理，因此在圖2 每個視覺傳感器的單路視頻輸出處，需再加上一個多路視頻切換器，如圖3 所示，每8 個視頻輸入1 路視頻輸出作為一個視頻信號切換單元，實現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 個單元就可驅動64 路傳感器。每個視頻切換單元都有自己的CAN 總線接口，連接到整個控制系統(tǒng)的分布式網路上，與單個傳感器控制系統(tǒng)一起協(xié)同工作。我們采用8 選1 視頻切換為一個單元，采用積木式結構進行擴充，主要是考慮到在實際的多視覺傳感器測量系統(tǒng)中，對于具體不同的測量對象，使用的傳感器的數目可能不同。這種方式的最大優(yōu)點是可以根據使用的傳感器的多少進行自由組合。