自動光學(xué)檢測儀通信系統(tǒng)設(shè)計

胥 嫏，葉玉堂，吳云峰，何景秋，張薿文，岳 松

（電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院 四川 成都 610054）

在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗、生產(chǎn)監(jiān)控及零件測量、識別應(yīng)用等環(huán)節(jié)，然而通常人眼很難連續(xù)、穩(wěn)定地完成這些帶有高度重復(fù)性和智能性的工作，一般物理量傳感器也較難實現(xiàn)這些功能。而利用光電成像系統(tǒng)采集被檢測目標(biāo)的圖像，并經(jīng)計算機或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進(jìn)行數(shù)字化處理。與一般圖像處理系統(tǒng)相比，自動光學(xué)檢測[1]更強調(diào)精度、速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。因此，這里提出一種基于CAN總線的自動光學(xué)檢測通信系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)設(shè)計能夠滿足PCB自動光學(xué)檢測控制系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

1 自動光學(xué)檢測通信系統(tǒng)分析

自動光學(xué)檢測系統(tǒng)具有快速準(zhǔn)確、可重復(fù)性強以及自動化程度高等特點。自動光學(xué)檢測技術(shù)的出現(xiàn)極大地減輕了人工檢測的壓力，解決了傳統(tǒng)人工檢測中的許多問題，提高了產(chǎn)品的檢測質(zhì)量和速度，為工業(yè)領(lǐng)域自動檢測提供了革命性的解決方案。

分布式的現(xiàn)場總線能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，成為了該自動光學(xué)檢測系統(tǒng)的最佳選擇。分布式的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)比集散型控制系統(tǒng)更好地體現(xiàn)了“信息集中、控制分散”的特點[2]。且分布式控制系統(tǒng)在適用范圍、可擴(kuò)展性、控制速度、系統(tǒng)模塊化、可維護(hù)性、抗單點故障等方面具有明顯優(yōu)勢。

控制器局域網(wǎng)（CAN）總線是一種在工業(yè)控制中應(yīng)用的總線，帶寬利用率高，糾錯能力強，并且廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作；運用非破壞性仲裁技術(shù)，有效避免了總線沖突；短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適用于高干擾環(huán)境下；節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線功能，使總線上其他操作不受影響；可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接收數(shù)據(jù)。因此，CAN總線滿足該控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線要求[3]。

本設(shè)計采用英飛凌開發(fā)的16位微控制器系列中的XC164CS為控制器，并成功地將其應(yīng)用到PCB板面缺陷自動光學(xué)檢測儀的控制系統(tǒng)。

2 通信系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)組成原理

自動光學(xué)檢測系統(tǒng)由上板部分、掃描正面、掃描反面、分揀1、分揀2以及主機共6部分組成，整個系統(tǒng)使用的電機有5類共19個、氣缸11個以及各類傳感裝置若干。整個系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理Fig.1 Structure principle of system

由于整個控制系統(tǒng)對實時性、穩(wěn)定性以及協(xié)調(diào)性要求很高，整個控制模式分為制作標(biāo)準(zhǔn)板模式、單步運行模式以及檢測模式，對于模式間轉(zhuǎn)換的靈活性要求也很高。而分布式控制系統(tǒng)因其具有高可靠性、開放性、靈活性、協(xié)調(diào)性、控制功能齊全和易于維護(hù)等特點，完全滿足本控制系統(tǒng)的要求。

分布式控制系統(tǒng)使用較多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、環(huán)型和總線型3種。其中星型結(jié)構(gòu) （中央控制型）中所有通信都經(jīng)中央控制節(jié)點，若中央控制節(jié)點有故障，則整個系統(tǒng)就會癱瘓；環(huán)型結(jié)構(gòu)中相鄰控制節(jié)點順序連接，形成環(huán)路，信息一般僅以一個方向在環(huán)上從源節(jié)點傳送到目的節(jié)點，發(fā)生故障時可支持雙向傳輸，但環(huán)路一般封閉，不利于節(jié)點的擴(kuò)充；而總線型結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點都共享一個公共的物理通道 （即總線），因此網(wǎng)絡(luò)上的任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，且具有延遲小、速度快、易擴(kuò)展、單個節(jié)點故障影響小的優(yōu)點。因此，該控制系統(tǒng)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]，如圖2所示。

圖2 CAN總線系統(tǒng)圖Fig.2 Structure diagram of CAN Bus system

2.2 CAN總線硬件電路設(shè)計

為了保證控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，完成實時數(shù)據(jù)處理和電路保護(hù)功能，并考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性，采用16位微控制器系列中的XC164CS。該芯片尺寸小、運算速度高，并集成有TwinCAN模塊，該模塊用于控制幀的自動發(fā)送和接收。該模塊有2個全功能的CAN節(jié)點共享模塊的資源，提供32個報文對象，它們可獨立分配給2個CAN節(jié)點中的任意一個，還可以組合構(gòu)成FIFO結(jié)構(gòu)。每個報文對象分別對應(yīng)有利于濾波的驗收屏蔽寄存器。

全CAN功能和FIFO結(jié)構(gòu)的靈活組合可滿足復(fù)雜嵌入式控制應(yīng)用的實時要求。CAN總線監(jiān)控功能的增強以及報文對象個數(shù)的增加使得CAN的總線通信處理更加精確和方便。網(wǎng)關(guān)功能允許在2個獨立的CAN總線系統(tǒng)之間進(jìn)行自動數(shù)據(jù)交換，減輕了CPU負(fù)載，提高了整個系統(tǒng)的實時性。2個CAN節(jié)點的位定時都從主時鐘得到，可通過編程使數(shù)據(jù)速率達(dá)到1 Mb/s。

CAN總線收發(fā)器采用英飛凌公司的TLE6250G，支持傳送速率高達(dá)1 Mb/s，具有抗瞬變、抗射頻和抗電磁干擾的特性，并具有寬泛的工作范圍（-40～150℃），以及短路保護(hù)和過溫保護(hù)功能。具體的CAN總線節(jié)點原理圖設(shè)計如圖3所示。

圖3 CAN總線節(jié)點原理圖Fig.3 Schematic diagram of CAN node

另外，總線連接時兩端各加一只120 Ω的電阻，它們對于匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，可減少信號反射干擾。

2.3 CAN總線節(jié)點軟件設(shè)計

CAN總線節(jié)點軟件設(shè)計與整個系統(tǒng)的實時性和可靠性密切聯(lián)系。本系統(tǒng)中各部分間的數(shù)據(jù)交換比較頻繁，CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀包括有：1）主機發(fā)送的控制指令幀，主機控制著整個系統(tǒng)的工作模式，通過PCB板為好板或壞板的信號來控制分揀1和分揀2的運作；2）各控制部分傳給主機的狀態(tài)信息，將正在上板中、正在出板中或者系統(tǒng)故障等消息傳給主機，方便操作人員實時了角整個系統(tǒng)信息；3）各控制部分之間的信息交換，如上板部分檢測到一批PCB板檢測完成，通知分揀部分出板的信號，任何部分檢測到故障通知報警信號等。

根據(jù)系統(tǒng)的實際情況未編寫相應(yīng)的軟件程序。這里使用的XC164CS單片機的CAN控制器遵循CAN V2.0B規(guī)范。報文緩存單元最多保存32個報文對象，每個對象的最大數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)。每個報文對象有一個標(biāo)識符和自己的控制和狀態(tài)位集。通過控制相應(yīng)寄存器來存放通信時發(fā)出或者接收到的數(shù)據(jù)以及報文寄存器組的設(shè)置。對報文寄存器進(jìn)行初始化之后，報文緩存單元無需CPU監(jiān)控就能夠處理數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，簡化了軟件代碼的編寫。而CPU通過訪問CAN控制器狀態(tài)寄存器或者由CAN控制器以中斷的方式通知CPU，即可得到當(dāng)前通信狀態(tài)，從而節(jié)省了CPU的占用時間[5]。

2.3.1 CAN控制器的初始化

要實現(xiàn)CAN通信，首先要對CAN控制器進(jìn)行正確初始化設(shè)置。初始化主要完成下面的工作：節(jié)點控制寄存器ACR/BCR的設(shè)定；CCE和INIT置位；錯誤計數(shù)器最大值的設(shè)定；節(jié)點輸出管腳的設(shè)定;節(jié)點傳輸速率的設(shè)定；給節(jié)點配置發(fā)送、接收消息體[6]。對于XC164CS，CAN控制器的初始化可以使用DAVE進(jìn)行配置，來自動生成代碼，也可以用戶自行編寫[7]。初始化流程如圖4所示。

圖4 CAN控制器初始化流程Fig.4 Flow chart of CAN initialization

以下為相應(yīng)的程序代碼：

2.3.2 CAN控制器的發(fā)送和接收程序

CAN模塊初始化成功后,就可以用其來傳送報文。節(jié)點向總線上發(fā)送報文的過程是：將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成符合CAN協(xié)議的幀格式，寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并自動發(fā)送。數(shù)據(jù)幀一幀最多只能傳輸8個字節(jié)，大于8個字節(jié)的按照每8個字節(jié)為一幀傳送，剩下不足8個字節(jié)的補成8個字節(jié)?？梢栽诔绦蛑兄苯诱{(diào)用CAN_vTransmit函數(shù)即可實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)，該函數(shù)定義如下：

接收數(shù)據(jù)有查詢方式或中斷方式。這里采用中斷方式，要實現(xiàn)的功能是：進(jìn)入中斷接收程序，判斷中斷是否是接受中斷；若是將數(shù)據(jù)讀出緩存器并進(jìn)行判斷，再進(jìn)入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)處理函數(shù)?？刂破鹘邮蘸桶l(fā)送流程如圖5所示。

圖5 CAN硬件節(jié)點控制器接收和發(fā)送流程Fig.5 Receive and transmit by CAN node hardware controller

3 結(jié)束語

該自動光學(xué)檢測通信系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)且通過了聯(lián)調(diào)，數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定，并已應(yīng)用于PCB板面缺陷自動光學(xué)檢測儀的控制系統(tǒng)。該自動光學(xué)檢測通信系統(tǒng)滿足可靠性和靈活性的高要求，實現(xiàn)控制系統(tǒng)各單元相對獨立，各單元之間的連線簡潔，使系統(tǒng)操作簡單，使用可靠，取得了良好的使用效果。

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