（测试计量技术及仪器专业论文）基于modbus总线车身在线检测站控制系统研究.pdf

摘要 白车身视觉检测站实现了高精度的在线检测，在现代汽车制造过程中起着不 可或缺的作用。白车身视觉检测站的控制系统是整个检测站设计关键的一环。自 车产视觉检测站由多个传感器组成，通过现场总线实现控制计算机对视觉传感器 的控制具有节省费用，设计简单，易于重构，准确性与可靠性高等优点。本文分 析了现场总线技术，并比较现行几种现场总线协议，然后提出了基于m o d b u s 协 议设计控制系统的方法。并从硬件设计和软件设计两方面，实现了基于m o d b u s 协议的车身在线检测站的控制系统。 论文主要研究工作如下： 1 比较了现行的几种现场总线，提出了基于m o d b u s 协议设计车身在线检测站 控制系统的方案。 2 针对自车身视觉检测站的需求和应用，提出了检测站控制系统的设计要求和 该系统的研究意义和研究目的。 3 设计了作为现场智能设备的传感器控制器，分别从通信，供电，显示，以及 控制测量四个部分进行了分析。 4 建立了基于m f c 对话框的工程，设计了人机交互的主机控制测量的通信界 面。 5 根据m o d b u s 协议及串1 2 1 通信的原理，介绍了m o d b u s 消息帧c r c 检验码生 成的方法；实现了m o d b u s 消息帧的报文成帧，报文发送，报文接收，报文 解析等功能，并介绍了错误处理机制。 6 通过实验对基于m o d b u s 协议的白车身视觉检测的控制系统进行了验证。 关键词：视觉检测，现场总线控制系统，m o d b u s 协议，p i c l 8 单片机，串口通讯 a b s t r a c t c a r - b o d yv i s u a li n s p e c t i o ns t a t i o na c h i e v e sah i g h p r e c i s i o no n l i n ed e t e c t i o n ， a n dp l a y sa ni n d i s p e n s a b l er o l ei nt h em o d e ma u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t h e c o n t r o ls y s t e mo ft h ec a r b o d yv i s u a l i n s p e c t i o ns t a t i o ni 8o n eo ft h ek e y b e c a u s e t h e r ea r em a n yv i s u a ls e n s o r si nc a r - b o d yv i s u a li n s p e c t i o ns t a t i o n ，t h em e t h o do f c o n t r o lo ft h ev i s u a ls e n s o rb yh o s tc o m p u t e rt h r o u g hf i e l d b u sh a st h ea d v a n t a g e so f c o s t 。s a v i n g ，d e s i g n e dt o b es i m p l e ，e a s yt o r e c o n s t r u c t i o n ，h i g ha c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t y i nt h i sp a p e r ，f i e i d b u st e c h n o l o g yw a sa n a l y z e da n ds e v e r a le x i a i n g f i e l d b u sp r o t o c o lw e r ec o m p a r e d ，a n dt h e nt h em e t h o do fc o n t r o ls y s t e md e s i g nb a s e d o nm o d b u sp r o t o c o lw a sp u tf o r w a r d t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ec a r b o d yv i s u a l i n s p e c t i o nw a sr e a l i z e di nh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g na s p e c t s t h em a i nw o r k so f t h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 s e v e r a lk i n d so ff i e l d b u sw e r ec o m p a r e d ，a n dt h em e t h o do fd e s i g n i n gc o n t r o l s y s t e mo fc a r - b o d yp r e s i o nb a s e do nm o d b u sp r o t o c o lw a sp r o p o s e d 2 f o rc a r - b o d yv i s u a li n s p e c t i o ns t a t i o nn e e d sa n d a p p l i c a t i o n s ，t h ed e t e c t i o n s t a t i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h em e a n i n go ft h es y s t e ma n d p u r p o s eo f t h es t u d yw a s p u tf o r w a r d 3 s e n s o rc o n t r o l l e ra saf i e l di n t e l l i g e n te q u i p m e n tw a sd e s i g n e dr e s p e c t i v e l y ，f o u r m a i np a r t so ft h ec o n t r o l l e rw e r ea n a l y s e d s e p a r a t e l y ，s u c ha sc o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l ea n dc o n t r o lm o d u l e 4 t h ee n g i n e e r i n gb a s e do nm f cd i a l o gw a s e s t a b l i s h e d ，h u m a n c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ef o rt h eh o s tc o m p u t e rt oc o n t r o lm e a s u r e m e n tw a s d e s i g n e d 5 a c c o r d i n gt om o d b u sa n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，c r cc o d eg e n e r a t i o n w a sa n a s y s e d t h ef u n c t i o n sw e r er e a l i z e d ，s u c ha st h em o d b u sm e s s a g ef r a m e f o r m e d ，m e s s a g es e n t ，m e s s a g er e c e i p t e d ，a n dm e s s a g ee x e c u t e d e r r o r - h a n d l i n g m e c h a n i s mw a sa l s ei n t r o d u c e d 6 t h r o u g he x p e r i m e n t s ，t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ec a r b o d yv i s u a li n s p e c t i o nb a s e d o nm o d b u sp r o t o c o lw a sa u t h e n t i c a t e d k e yw o r d s ：v i s u a li n s p e c t i o n ，f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ( f c s ) ，m o d b u s p r o t o c o l ，p l cl8 fs i n g l e c h i p ，t o mc o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名! 史乡奢望毫 签字同期：伽l 夕7 年 铲月q f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 文作粼：蛐磊新虢玉1 昂数 签字r 期：。7 年9 月习同 签字嗍一年莎月习r g 章绻话 1 1 应用背景 第一章绪论 视觉检测技术”2 1 是近些年来获得快速发展的一项新型的检测技术。它利用计 算机视觉的理论和原理，采用最新发展的电子器件( 高分辨率c c d 器件) 和计算 机软硬件技术，实现对物体的尺寸及空间位姿的测量。视觉检测的研究重点是测量 领域的问题，从原理上讲视觉检测具有现代制造业所要求的主要优点：精度较高、 柔性好、可在线、非接触等特点。 工业发达国家投巨赍对车身总成在线检测技术进行研究，典型的项目是美国政 府提出的振兴汽车工业的“两毫米工程”，其中一个主要研究内容就是研究车身总 成的在线检测技术。该产品是基于结构光的视觉检测原理，能在线对车身总成进行 1 0 0 的全面检测。目前美国p e r e e t r o n ，和德国k u k a ，加拿大l m i 等公司都对车 身检测做了研究p e r c e t r o n 公司的产品己在通用、福特等世界著名汽车制造厂得到 应用。 天律大学叶声华教授领导的研究小组率先在国内开展车身总成视觉检测技术 的研究。研究小组从基本原理到工程实现技术都进行了全面深入的研究，克服了多 项技术难点，取得了显著的成绩。白车身视觉检测站是基于视觉检测技术，是车身 在线生产过程中，对车身的关键位姿进行生产误差的检测，可以准确定位有误差的 被测点，达到了高精度，可在线，非接触的特点现在已经形成了两套车身检测站 一个是固定式视觉检测站，一个是机器人柔性视觉检测站，分别如图1 - l 、图卜2 所 示。 图1 - l 固定式视觉检铡站 l 第一章绪论 r 1 2 0 0 7 102 g 【：i ：_ _ 图i 2 机器人秉性视觉检测站 匪堇l p _ ；_ 圆 固定式视觉检测站如图1 1 所示，该系统中所有的传感器都固定在本体支撑 架上，每个传感器测量1 个被测点，为了实现对白车身多个测量点的在线检测， 系统至少要包括数十个测量单元，固定框架式的结构增强了系统的可维护性，能 够长期保证较高的测量精度，但也这正是这种结构降低了系统的柔性，无法满足 小批量、多品种的测量任务。 翻l o 是机器人柔性视觉检测站主要包括一个通用测量机器人，这种通用铡量机器人 不仅能够充分发挥机器人运动灵活，占地砸积小的特点，而且随时变换程序即能够满足产品 多品种、多系列的测量需求，尤其适台在掘流生产线上对大型异型零部件进行非接触、快速、 精确测量。每个测量机器人只需要安装一台视觉传感器，因此降低了系统的成本，而且机器 人能够在工作空间内大范围地灵活运动，从而携带传感器进入到白车身的内部使内部特征 尺寸的测最成为可自 。 本课题就是在车身视觉检测站基础上提出来，无论是多个固定式传感器还是 测量多个位姿的机器人传感器是通过主控计算机即测量计算机统一控制的。实现 对整个测量系统的安全，可靠的统一控制是整个测量系统良好运行的关键之一。 2 研究现状 目前国际和国内的车身在线检测站控制系统在经历由集散控制系统向现场 总线控制系统的转变，国外已经有先进的实例，国内也进行了许多尝试，如对 c a n 总线研究实现此控制系统。采用的集散控制系统( d c s ) ，它的特点能够 满足控制系统需求并且可靠性高，但是因为d c s 不同厂家控制网络多采用各 自专用的封闭形式，所以硬件成本高，造价昂贵。 第一章绪论 集散控制系统是控制系统继模拟仪表控制系统，集中数字控制系统之后发展 起来的控制系统，目前已经在各个领域得到广泛应用。为了顺应网络控制系统提 出的开放化和降低成本的迫切要求，第四代控制系统现场总线控制系统( f c s ) 应运而生。目前现场总线系统已经在楼宇自动化系统，过程控制等领域有了广泛 应用，其优势明显。 现场总线技术发展迅速，现存的现场总线多达4 0 多种，比较常用的现场总 线有m o d b u s ，c a n ，f f ，f r o f i b u s ，d e v i c e n e t 等，而且不同的现场总线 在不同的领域的应用有其行业习惯性【4 卅。 随着总线技术的发展，应用领域将继续扩大并且深入。本课题就是结合应用 m o d b u s 现场总线技术，在白车身在线检测领域进行的探索。 1 3 本论文研究的主要内容和意义 1 - 3 1 主要内容 本文研究的课题属于白车身视觉检测站测量系统的一部分。白车身视觉检测 站用于在汽车制造过程中，对工件上的被测点进行误差和精度分析，进而可以准 确定位误差工件部位，提高汽车制造总成的制造精度和制造质量。为满足白车身 整体测量的需求【7 一】，本文主要研究m o d b u s 现场总线在车身在线检测系统的研 究实现。课题主要的研究内容如下： 1 对白车身视觉检测站控制需求进行详细的研究、分析，基于对现场总线技术 的特点和优点的分析，提出用m o d b u s 现场总线技术改进控制系统、提高系 统可靠性的实现方案。 2 根据测量系统需要以及现场恶劣工作环境，设计了r s 4 8 5 菊花链式总线连接 方式的硬件连接。 3 基于对m o d b u s 现场总线技术的阐述，设计了基于p i c l 8 f 2 4 8 0 为c p u ，包 括l c d 显示模块，通信模块、i o 模块以及视频信号选通传输模块在内的智 能现场设备传感器控制器。 4 基于对m o d b u s 通信规约的研究1 9 - - 】，详细设计了包括人机交互友好界面的主 控计算机和传感器控制器的通信实现【1 2 】，实现了主控计算机对视觉传感器的 可靠控制【1 3 】。 5 为满足应用需求，提高可靠性设计，设计了错误处理机制，能在现场的条件 保证系统可靠稳定运行。 6 根据实际应用，设计实验验证了传感器控制器设计的正确性，以及用m o d b u s 协议实现控制系统的可行性【1 4 】。 3 第一章绪论 7 可靠性实验，证明传输距离可达到l8 0 m ，带负载为3 0 个。 1 - 3 2 主要意义 白车身视觉检测站工作在恶劣地现场环境下，作为汽车在线生产的检测环 ，节，对其运行的速度和可靠性提出了很高的要求。实现汽车的自动测量和监控管 理势在必行。控制系统是整个白车视觉检测站测量系统的关键，合理设计硬件系 统是实现系统功能和保证系统测量精度和保障运行速度，提高系统可靠性的重要 保障。本课题研究的基于m o d b u s 协议白车身视觉检测站控制系统的意义具体如 下： 1 结合现场总线技术的发展，深入分析了现行几种现场总线的特点及应用领域； 详细介绍了m o d b u s 协议【1 5 1 - q ，并结合车身在线检测领域，提出了利用m o d b u s 现场总线实现自主开发控制的方法。 2 设计了测量计算机的通信界面，以及传感器的l c d 液晶显示屏，可视化的 设计大大方便了用户操作。 3 测量计算机设计了自动重发机制以及传感器设计了错误处理机制，为系统的 可靠运行提供了保障。 4 用实验验证了m o d b u s 现场总线在车身检测领域的应用的可行性、可靠性。 1 4 本章小结 本章介绍了课题应用的背景自车身视觉检测站；通过对控制系统的分析，介 绍了现场总线当前的研究现状；并指出了本文研究的主要内容和主要意义。 4 第二章白车身视觉检测站控制系统的设计方案 第二章白车身视觉检测站控制系统的设计方案 2 1 控制系统设计要求 本课题设计的白车身视觉检测站现场总线控制系统本质上是一种对生产现 场进行控制和管理的网络。但和i n t e r a c t 、i n t r a n e t 等类型的信息网络不同，由于 直接面向生产过程，从而要求本身有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用 性；此外，还要通过专门的接口和设备完成与上层工厂信息系统的数据交换和传 递。以主控计算机和传感器为核心的车身在线检测站的控制系统，此系统要求在 白车身在线生产过程中，能准确可靠地控制视觉检测站工作过程、工作流程，以 及控制检测站能将测量数据即被测点的视频信号进行实时传输。 1 对车身进行测量时，变换被测车型或是被测车身有固定式传感器i 9 l ! 【量不好到 达的地方，所以需要实现机器人柔性测量和固定式传感器测量相结合的控 制。 2 针对传感器的构成和工作特点，系统的实现需要设计智能现场设备，一方面 负责接收来自测量计算机的控制命令，另外一方面通过i o 口实现对传感器 的控制，此控制器具有l c d 显示、i o 口控制、通信和采集现场视频信号等 的功能，同时具有r s 4 8 5 总线接口【1 8 1 ，用于挂接在总线网络拓扑结构中。 3 各个被测点的测量数据是通过串行方式传输到与主控计算机相连的数据库 中的，所以整个测量过程是串行的，也就是测量工件的部位是一个一个测量 的，所以在对控制系统研究时，控制运行的时间成为最后检测站评定的一个 重要指标，所以对运行速度也提出了要求。 4 在设计前期或者运行出错处理时需要人工操作，所以通信界面的设计也是本 次设计的一个要点。 5 系统设计需要考虑的一个重要方面，就是通信的具体实现，从系统的功能来 看，是由主控计算机控制统一管理整个测量过程的。那么测量任务的具体完 成是位于现场的设备传感器和传感器控制器。实现主控计算机对多个传感器 控制器的控制，进而控制传感器的工作，以完成检测任务。这就说明系统对 通信的可靠性提出了很高的要求，要求通信满足实时性，规范性。 6 要保证系统的有效运行，错误处理机制的设计是非常必要的。 5 第二章白车身视觉检测站控制系统的设计方案 2 2 现场总线 2 2 1 现场总线技术概述 现场总线是连接智能设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的 通信网络。它是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控 制通讯网络，遵循i s o 的o s i 开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。 现场总线技术有三大要点，一是制定总线通讯协议及技术标准，二是现场智 能设备，三是形成设备及车间级的数字化通讯网络。 现场设备具有智能性和功能自治性，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本 功能，并可随时诊断设备的运行状态。现场总线已构成一种新的全分散性控制系 统的体系结构。 现场总线控制系统( f c s ) 则是用现场总线控制通讯网络将自动化最底层的 现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。现场总线控制系统是 控制系统的发展历程中的第四代控制系统，f c s 相对d c s 最大的优势是成本大 大降低，因为f c s 彻底分散的分布式结构将l 对l 模拟信号传输方式变为l 对n 的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的a d 、d a 转换装置、 布线安装成本和维护费用。同时现场智能设备能在现场完成自控制任务，可以用 工控p c 机作为操作站，从而大大节省了硬件投资。 同时，彻底的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进 行重组和扩建，且易于维护。 2 2 2 现场总线协议比较与选择 现场总线种类繁多，很多总线在特定的领域显示出自己的优势。比较有影响 并且广泛应用的现场总线有以下几种：m o d b u s t l 9 一们，f f ，f p r o f i b u s ，h a r t ， c a n 和l o n w o r k s 。总线的发展多呈现行业趋向性，即特定总线在某一领域 占主导地位。 m o d b u s 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器 相互之间、控制器经由网络( 例如以太网) 和其它设备之间可以通信。它已经成 为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行 集中监控。 f f ( 基金会现场总线) 目前它只有低速现场总线协议与产品。低速现场总线 速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 米( 可加中继器延长) ，可支持总线供电， 支持本质安全防爆环境。目前主要应用于过程自动化，如石化、化工等领域，主 6 第二章白车身视觉检测站控制系统的设计方案 要用于对生产过程中连续量的控制。该总线具备左右该领域现场自控设备发展方 向的能力总线具有相当的权威性。 p r o f i b u s 对不同的应用有三种不同的总线，即d p 、f m s 和p a 。d p 是一 种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i o 的通信，适合于加工自动 化领域；f m s 意为现场信息规范，用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实 时多主网络，数据传输类型为r s 4 8 5 ，传输速率为9 6 k b p s - 1 2 m b p s ，最大传输 距离在1 2 m b p s 时为l o o m ；p a 是专为过程自动化设计。 l o n w o r k s 协议支持o s i 的七层协议，具体实现就采用网络变量这一形 式。因为其有硬件芯片的支持，实现了实时性和接口的直观、筒洁的现场总线的 应用要求。神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 是l o n w o r k s 技术的核心，它不仅是l o n 总线的通信处理器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，l o n w o r k s 技术 中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。它的主要应用领域是在楼宇 自动化控制。由于它优良的性能价比，在其它领域也得到应用。 c a n 协议其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达im b p s 4 0 m ，直接 传输距离最远可达1 0 k m 5 k b p s 。可挂接设备数量最多可达1 1 0 个。c a n 的信号 传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概 率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该点与总线的联系，使 总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。最早用于汽车内 部测量与执行部件之间的数据通信，本系统也可以由c a n 总线实现。 h a r t 其实是模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，在过渡时期具 有较强的市场竞争能力，因其是模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满 足各公司要求的通信接口芯片。 m o d b u s 与其它现场总线和工业网络比起来有以下3 个特点f 1 5 】： 1 标准、开放：用户可以免费使用，并且可以在官方网站上下载各种语言的样 例程序、控件以及各种m o d b u s 工具软件；目前，支持m o d b u s 的厂家4 0 0 家，在国内外有很多的用户支持和使用m o d b u s 的产品。 2 由于m o d b u s 是面向报文的协议，因为它可以支持多种电气接口，如r s 2 3 2 ， r s 4 8 5 ，r s 4 2 2 等，还可以在各种介质上传送，双绞线，光缆，无线射频等。 它不用专用的芯片和硬件，完全采用市售的标准部件。这保证了采用m o d b u s 的产品造价最低。 3 m o d b u s 的帧格式是最简单、最紧凑的协议，可以说简单高效、通俗易懂。所 以开发简单，用户容易使用。 此外，除了c a n t 3 1 和m o d b u s 总线以外，其它协议都是以开发模块形式在市 场上供应的，而非芯片级，而且协议不开放，价格昂贵，不利于自主开发。m o d b u s 7 第二章白车身视觉检测站控制系统的设计方案 协议具有可靠性高，可传输距离远，协议开放等优势，已经成为一个标准的、在 工业自动化领域广泛应用的通信协议。又因为在白车身视觉检测站控制系统中， 主要是实现测量计算机对传感器的状态查询和控制，一方面控制传感器实现测 量，另一方面控制传感器将测量数据传输到测量计算机里。是一主机多从机的通 信网络，所以m o d b u s 协议完全符合设计要求，又可以达到降低成本的目的。所 以最终选定m o d b u s 总线做为通信标准。 2 3m o d b u s 通信协议 此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网 络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它 设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。 m o d b u s 是m o d i c o n 公司为其生产设计的一种通信协议，现己成为一种工 业通信和分布式控制系统协议。m o d b u s 协议定义了消息域格式和内容的公共格 式，使控制器能认识和使用消息结构，而无需考虑通信网络的拓扑结构，它描述 了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样 侦测错误并记录。为了保证信息帧传输的准确性和快速性，它的信息帧包括站点、 字节长度、功能码、操作地址、操作数据、c r c 校验值等。 m o d b u s 系统是一种主从网络，允许一个计算机和一个或多个从机通信。 m o d b u s 协议主要包括寄存器读写、开关量i o 等命令。采用命令应答方式，每一 种命令报文都对应着一种应答报文，命令报文由主站发出，当从站收到后，就发 出相应的应答报文进行响应。每个从机必须分配给一个唯一的地址，只有被访问 的从机才会响应包含它的地址的查询。查询回应周期如图2 1 所示。 ( 1 ) 查询 图2 1 主从机查询回应周期 8 第二章白车身视觉检测站控制系统的设计方案 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了 从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码0 3 是要求从设备读保持寄存 器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读 及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的 方法。 ( 2 ) 回应 如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的 功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：象寄存器值或状态。如果有 错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了 描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。 在m o d b u s 系统中有两种有效的传递模式，即a s c i i ( 美国标准信息交换码) 和r t u ( 远程终端装置) 。每个m o d b u s 系统只能使用一种模式，不允许2 种模式 混用。用户选择想要的模式，包括串1 3 通信参数( 波特率、校验方式等) ，在配置 每个控制器的时候，在一个m o d b u s 网络系统上的所有设备都必须选择相同的传 输模式和串口参数。由于在同样的波特率下，r t u 方式可比a s c i i 方式传送更 多的数据。在整机的控制系统中，需要控制若干个视觉传感器，每个机器人传感 器需测量若干个被测点，所有被测点的测量又都是通过串行方式进行的，对速度 要求很高，所以选用m o d b u s 的r t u 传输方式。 使用r t u 模式，消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始。传输 的第一个域是设备地址。网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。当 第一个域( 地址域) 接收到，每个设备都进行解码以判断是否是发往自己的。在最 后一个传输字符之后，一个至少3 5 个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个 新的消息可在此停顿后开始。整个消息帧必须作为一连续流传输。如果在帧完成 之前有超过1 5 个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下 一字节是一个新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3 5 个字符时间 内接着前一个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个 错误，因为在最后的c r c 域的值不可能是正确的。 一个典型的r t u 消息如下所示：( 在消息中的每个8 b i t s 字节包含两个4 b i t s 的十六进制字符) 表2 - ir t u 模式m o d b u s 消息帧 i 地址l 功能代码i 数据数量i 数据ll i 数据nic r c 高字节ic r c 低字节i i 地址域 9 第二章白车身视觉检测站控制系统的设计方案 消息帧的地址域包含8 b i t s 。可能的从设备地址是l 之4 7 ( 十进制) 。单个设备 的地址范围是1 - 2 4 7 。主设备通过放入消息中的地址域来选通从设备。当从设备 发送回应消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪一 个设备作出回应。 2 功能域 消息帧中的功能代码域包含8 b i t s 。当消息从主设备发往从设备时，功能代 码域将告之从设备需要执行哪些行为。当从设备回应时，它使用功能代码域来指 示是正常回应( 无误) 还是有某种错误发生( 称作异常响应) 。对正常回应，从设备 仅回应相应的功能代码。对异常响应，从设备返回帧等同于正常代码的代码，但 最重要的位置是功能码最高位为逻辑1 。表2 2 是部分m o d b u s 的功能码定义。 表2 - 2 m o d b u s 功能码 3 数据域 数据域是由两个十六进制数集合构成的，范围0 0 f f 。从主设备发给从设备 消息的数据域包含附加的信息：从设备必须执行由功能代码所定义的行为。这包 括了象不连续的寄存器地址，要处理项的数目，域中实际数据字节数。如果没有 错误发生，从设备返回的数据域包含请求的数据。如果有错误发生此域包含一异 常响应代码，主设备应用程序可以用来判断采取下一步行动。 4 错误检测域 当选用r t u 模式作字符帧，错误检测域包含一个16 b i t s 值( 用两个8 位的字 符来实现) 。错误检测域的内容是通过对消息内容进行循环冗长检测方法得出的， 只对设备地址、功能代码和数据段进行。c r c 域附加在消息的最后，添加时先 是高字节然后是低字节。故c r c 的低八位是发送消息的最后一个字节。 c r c 16 检测( 循环冗余错误校验) 使用r t u 模式，消息包括了一基于c r c 方法的错误检测域。c r c 域是两 个字节，包含一1 6 位的二进制值。它由传输设备计算后加入到消息中。接收设 备重新计算收到消息的c r c ，并与接收到的c r c 域中的值进行比较，如果两值 不同，则有误。 第二 自车身视觉检测站控制系统的设计方案 c r c 是先调入一值全是“i ”的1 6 位寄存器，然后调用一过程，将消息中 连续的8 位字节和当前寄存嚣中的值进行处理。仅每个字符中的8 b i t s 数据对 c r c 有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。c r c 产生过程中，每个8 位字符都单独和寄存器内容相异或( x o r ) ，结果向最低有效位方向移动，最高有 效位以0 填充。l s b 被提取出来检测如果l s b 为l ，寄存器单独和预置的值 ( a 0 0 1 h ) 异或一下，如果l s b 为0 ，则不进行。整个过程要重复8 次。在晟后 一位( 第8 位) 完成后，卜一个8 位字节又单独和寄存器的当前值相异或。最终寄 存器中的值，是消息中所有的字节都执行之后的c r c 值。 只有主机能主动发起消息帧，从机负责响应并发送回应消息帧，所以软件的 设计任务分主机和从机通信的实现两部分。 2 4 物理层标准的选定 图2 - 2 m o d b u s 通信线与底层协议 m o d b u s 是o s i 模型第7 层上的应用层报文传输协议，与底层的物理接口及电 气规范无关，它在连接至不同类型总线或网络的设各之间提供主机、从机通信。 目前，可以通过下列三种方式实现m o d b u s j 噩信： l 咀太网上的t c p i p ：m o d b u s 报文传输服务提供了设备之间的客户栅服务器 通信，这些设备连接在一个t c p i p 网络上。客户栅服务器模型基于4 种报文类 型：m o d b u s 请求，证实指示和响应。 2 各种介质( 有线：e i a t i a - 2 3 2 - f 、e i a - 4 2 2 、e i a t i a 一4 8 5 a ；光纤、无线等) 上的异步串行传输： 3m o d b u sp l u s ，一种高速令牌传递网络，它的电气接r n 为r s 4 8 5 网络介质 为双绞线光纤。每个网络节点相当于一个逻辑环上的对等成员，根据是否接收 几1 b 第二章白车身视觉检测站控制系统的设计方案 了令牌，决定是否以访问网络。当握有令牌时这个节点可发起与其它节点的报文 传送。相当于实现了多主机通信的模式。 由于在车身在线检测站的控制系统中，系统需要长期在工作现场工作，必须 选择有线通信方式。在通信的网络中，所有传感器的测量均是通过测量计算机控 制，所以一个主机，多个从机模式即可满足控制要求，测量节点的增加直接增加 从机数量或者利用机器人柔性检测多一个动作即可。现场级设备需要自己开发， p i c 单片机的串行通信设计可靠便捷，所以选择第二种通信方式m o d b u s 串行链 路，串行通信主要有以下三种方式。 1 r s 2 3 2 r s 2 3 2 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信距离将受此电容 限制，例如，采用1 5 0 p f m 的通信电缆时，最大通信距离为1 5 m ；若每米电缆 的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是r s 2 3 2 属单端信 号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于2 0 m 以内的 通信。 2 r s 4 8 5 r s 4 8 5 总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用r s 4 8 5 串行 总线。 r s 4 8 5 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线 收发器具有高灵敏度，能检测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信号能在千米以外得 到恢复。 r s 4 8 5 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发 送电路须由使能信号加以控制。 r s 4 8 5 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用r s 4 8 5 可以 联网构成分布式系统，其允许最多并联3 2 台驱动器和3 2 台接收器。 在串行通信联成的设备网中，如果设备数量超过2 台，就必须使用r s 4 8 5 做通讯介质，r s 4 8 5 网的设备间要想互通信息只有通过“主( m a s t e r ) ”设备中转 才能实现，这个主设备通常是p c ，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其 余全部是从( s l a v e ) 设备。 3 r s 4 2 2 r s 4 2 2 和r s 4 8 5 总线电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接收，r s 4 2 2 是全双工通信，不需要数字地线，但是需要两对双绞线，比r s 4 8 5 造价高，而 且容易搞错。 在工业控制方面，由于r s 4 8 5 总线以差分平衡方式传输信号，所以具有抗 干扰性好、传输距离远等特点，非常适用于组成工业级的多机通信系统。根据测 第二章白车身视觉检测站控制系统的设计方案 量系统的需求，测量系统的运行是一主多从的结构，在现场连线距离在5 0 - 2 0 0 米左右。由于控制节点多，传输距离长，为了保证通信的可靠性，又保证结构简 单和控制成本，所以选用m o d b u s 4 8 5 的通信模式，并且要求总线上的设备采用 总线式拓扑结构相连。 2 5 白车身视觉检测站现场总线控制系统的控制方式 在系统工作之前，需要对测量系统进行标定。本系统采用自动和手动两种控 制方式。系统正式工作时的默认工作方式是自动，也就是在发送测量开始命令后， 主控计算机在总线上发送控制命令，即m o d b u s 的消息帧，因为m o d b u s 消息帧 带有地址域，根据m o d b u s 的通信规约，只有与其地址匹配的控制器会接受并执 行命令，每一个控制器完成测量任务，并成功地将测量到的视频信号传输到主控 计算机的视频采集卡。主控计算机在接收到从机的正确回应帧，并且接收到图像 采集完毕信号后，自动改变地址号，继续在总线在发送控制命令，直到所有的控 制器按规定完成测量任务，测量一个白车身任务完成。可以在测量的任何时候发 送暂停或停止测量命令。 手动方式主要用于测量前的检测，错误诊断，或故障排除等功能。在打开主 测量界面后进入单机调试模式，通过发送m o d b u s 消息帧的方式实现对不同从机 实现不同功能的控制。可以实现广播消息和非广播消息的发送。在广播消息中控 制所有的从机实现同一个动作，例如：可以向所有从机发送开启l e d l 、l e d 2 和l a s e r t 2 m 3 1 ，并且视频信号不传输的命令；继而发送关闭l e d l 、l e d 2 和 l a s e r ，并且视频信号不传输的命令，通过发送广播消息帧，可以检测所有从 机各硬件部分是否正常工作。在非广播消息中，可以对某单个从机发送各种模式 下的测量命令，有l a s e r 测量模式，l e d l 测量模式，l e d 2 测量模式，全启测 量等，因为根据被测点现场环境的不同，对辅助测量的l e d 灯需求不同。 2 6 本章小结 本章主要是对设计方案进行了阐述。首先分析了白车身视觉检测站的需求， 结合其对控制系统的要求；分析了现场总线技术，比较了目前流行的几种总线， 选择m o d b u s 现场总线来完成系统的控制功能：介绍了m o d b u s 协议的通信规约， 并通过用物理层的介质分析，确定使用m o d b u s 4 8 5 传输方式；最后说明了控制 系统的控制方式和控制流程。 第三章硬件设计 第三章硬件设计 3 1 基于m o d b u s 总线白车身视觉检测站控制系统结构 硬件平台的搭建为整个测量系统的实现提供了坚实的保障。基于m o d b u s 总 线白车身视觉检测站控制系统的设计任务主要在现场设备层以及现场监控层。为 了实现对现场环境下，车身不同被测点的需求，本系统为多传感器固定式和机器 人柔性测量站相结合的控制系统。完整车身视觉检测站控制系统的总体框图设计 如图3 1 所示。 由测量机器人、视觉传感器【2 1 2 3 1 以及传感器控制器三部分构成现场设备层。 测量机器人用于带动机器人视觉传感器定位在不同的被测点，实现了一台视觉传 感器可以测量多个被测点。机器人的运动是受p l c 控制系统控制。机器人传感 器和固定式传感器构成是相同的，每个传感器由传感器控制器单独控制。传感器 及传感器控制器共同构成一个从节点，挂接在控制与视频总线上。 测量计算机与车间数据库构成了现场监控层，测量计算机控制整个视觉检测 站的工作流程以及进度，在m o d b u s 协议的实现上作为主节点设备。数据库用来 存储测量数据以及测量分析结果，是实现与远程监控层实现通讯的接 2 4 硼。 f i p i o + 硬连线 控制系 统p l c 测量计 算机 = 匕 车间数 据库 ii 测量机器人1j 测量机器人2i 测量机器人3 l 卜一l 一卜一 j l 机器人1 传感器li 机器人2 传感器ll 机器人3 传感器 二二厂二一= t 二丁 机器人1 传感 il 机器人2 传ii1 机器人3 传f 器控制器ii 感器控制器ii 感器控制器l 1 _ 一1 一1 一 控制( m o d b u 函4 8 5 ) 、视频总线。 器控制器 i 器控制器r i 器控制器 堕墨叫l 堕墨i 埋 图3 1 控制系统结构图 第三章# t * 其中，机器人控制和定位以及与主线p l c 的通信部分由其它同学设计完成。 本文完成的主要任务是作为现场智能设备的传感器控制器的硬件设计，传感器控 制器对视觉传感器的控制功能设计，测量计算机与传感器控制器的物理连接以及 通讯功能的设计实现等。 视觉传肄器是获取被测对象图像信息的直接器件。采用由天津大学精密测试 技术及仪器国家重点实验室自主研发的l v p 0 1 d 视觉传感器，为