基于ModBusTcp协议和自定义协议的机器视觉智能终端的设计与实现.doc

基于ModBusTcp协议和自定义协议的机器视觉智能终端的设计与实现 总第254期xx?第12期计算机与数字工程Computer&Digital EngineeringVol.38No.12?85基于ModBus?Tcp协议和自定义协议的机器视觉智能终端的设计与实现*郭鹏伟?冯?伟(江南大学物联网工程学院?无锡?214122)摘?要?提出了一种基于WinCE、ModBus/T cp协议和自定义协议的机器视觉智能终端的实现方案,解决了传统机器视觉系统应用中因为采用计算机而造成的?。 机器视觉智能终端体积小、?携性好、操作方?,非常适合在工业现场应用;机器视觉智能终端通过以太网、采用ModBus/Tcp协议和自定义协议与智能相机通信,最多可同时连接4个智能相机,相对于计算机价格低廉,宜于大规模应用。 关键词?WinCE;ModBus/Tcp协议;自定义协议;机器视觉;智能终端;AT91SA M9261?T P393DesignandImplementationof MachineVisionIntelligentTerminalBasedonModBus?Tcp ProtocolandCustomProtocolGuoPengwe i?Feng Wei(School ofIoT Engineering,Jiangnan University,Wuxi?214122)Abstract?Proposed aprog ramof machine vision intellig ent terminalbased onWinCE,ModBus/T cppro tocol andcus?tom pro tocol,so lvethe inconveniencein traditional machine vision systemapplications causedby put er.Machine visionintellig ent terminalhas smallsize,portability andit?s easyto operate,very suitablefor applicationin industrialfield,ma?chinevisionintellig entterminal municatewith intelligentcamera,using ModBus/T cpprotoco land custom protocol,themachine visionintelligent terminal canconnect upto fourintelligentcameras,it haslow ercost relativeto theputer,andit appropriate for large scaleapplicat ions.Key Words?WinCE,ModBus/T cpprotocol,custom protocol,machinevision,intelligentterminal,AT91SA M9261Class Number?T P3931?引言机器视觉技术发展到现在已经有15?的历史,作为机械自动化系统的重要组成部分,其功能特点随着工业自动化的发展而?断完善。 目前视觉系统全球总?已经达到6070亿美元,随着加工制造业的发展,中国对视觉系统的需求?也将呈?断上升的趋势7觉系统建立连接,然后通过上位机软件配置好相机参数以及检测作业文件,再通过以太网将其下载到视觉系统,视觉系统根据检测作业文件将采集到的生产线产品图像进?处?、得到检测结果,然后将结果回传到计算机进?显示和采取控制措施。 采用计算机进?配置和监测,?但体积庞大,?于工业生产现场作业,而且成本也相对高昂,性价比?高。 机器视觉智能终端的出现解决了上述问题,终端的体积小、?携性好,非常适合在工业现场应用;终端相对于计算机,价。 目前,机器视觉在实际应用中的流程主要是在计算机上利用上位机软件和布置在现场的视*:xx?6月17日,修回日期:xx?7月31日作者简介:郭鹏伟,男,研究方向:电子信息工程。 冯伟,男,工程师,研究方向:嵌入式系统。 ?86郭鹏伟等:基于ModBus/Tcp协议和自定义协议的机器视觉智能终端的设计与实现第38卷格低廉,性能可以充分得到利用,宜于大规模的应用。 统图像显示等。 机器视觉检测系统主要由镜头、FPGA、DSP构成。 FPGA(包括CCD)的作用是采集图像,将图像信息以灰度值的方式提供给DSP;DSP根据检测作业的配置将图像数据进?处?。 一个视觉检测系统根据其存储器容?,最多可以放9个作业文件,每次只运?其中一个,一个作业文件最多可以包括64个检测工具(检测工具指检测项,例如:检测两点间的距离),可以同时运?。 2?系统架构与硬件设计2.1?系统的系统工作原?本文设计的机器视觉智能终端是配合自主研发的机器视觉检测系统应用的,其作用主要有实时图像显示、检测结果和状态显示、作业文件?改、工具参数修改、错误图像自动保存和转存、多检测系?图1?智能终端与视觉检测系统工作原?图图2?系统硬件结构图?智能终端以太网与视觉检测系统连接,按照M odBus/T CP协议和自定义协议与视觉检测系统进?通信,在通信中视觉检测系统做主机端,智能终端作为客户端。 智能终端请求与检测系统建立连接,建立连接后终端可以将U盘内事先利用计算机配置好的作业文件下载到检测系统运?,检测系统按照作业的配置采集、处?图像,并将实时图像信息、检测结果等信息反馈给智能终端,智能终端将反馈回来的数据在液晶屏幕上以实时图像和具体参数的方式进?显示和提示,终端还可以将检测到有错误的图像保存、转存、浏览。 终端可以通过交换机同时和4个检测系统相连,并可以在屏幕上根据用户的意愿,随意显示任一个或多个检测系统的实时图像。 2.2?系统的硬件设计智能终端硬件核心模块采用的是Atmel公司的ARM9芯片AT91SAM9261,主频达到200M6,这款芯片是为一个带LCD显示应用而优化的处?器,其16字节的片上SRAM可配置为帧缓存,可以将LCD帧刷新对处?器的影响降到最低;界面显示部分采用的是一块带触摸屏的7英寸TFT宽屏液晶,通过处?器自带的LCD控制器外接;系统利用AT91SAM9261自带的U SB控制器扩展了2个TypeA型和1个TypeB型USB接口,用户可以通过USB接口插入U盘将其中存储的作业文件下载到视觉检测系统或将终端内存储的错误图片转存到U盘,还可以通过TypeB型USB接口与计算机连接?新软件;系统还扩展了一个SD卡接口方?用户多种类型的存储需要;系统与检测系统的连接是通过扩展RJ45接口实现的;系统还扩展了一个RS232接口和PLC通信,以方?扩展对生产线的控制功能。 系统的硬件结构框图如图2所示。 系统采用两片16位的海?士32M SDRAM芯片HY57V561620FTP?H扩展为32位的存储器,数据会以4字节为单位进?读取,从而加快数据的读取速度;采用64M?8bit的NAND Flash芯片K9F1216U0A存储WinCE5.0系统和软件及数据;网络芯片采用的是DM9000EP。 3?通信网络设计智能终端向检测系统发送请求及检测系统向智能终端发送数据都需要遵循一定的协议,在此我们采用的是M odBus/T CP协议和自定义协议。 Mo dBus/TCP协议帧一次?能超过256个字节数,自定义协议类似于M odBus/T CP协议,支持TCP/IP,一次可以传输1460个字节。 检测系统的一些单独参数(例如相机内的作业数目、某作业内的工具数目、某工具的检测结果等)占用存储空间xx?第12期计算机与数字工程?87比较小,一般只有1个字或几个字,这适合利用M odBus/T CP协议进?读取和修改;而相机配置文件、作业配置文件、图像数据的数据?都比较大,利用Mo dBus/TCP协议的话会增加传输的延时,所以采用自定义协议进?传输。 ModBus协议头协议标示符2字节数据长度2字节3.1?M odBus/T CP协议应用分析Mo dBus/TCP协议是运?在T CP/IP上的Mo dBus报文传输协议,通过此协议,控制器可以通过以太网和其他设备通信,M odBus/T CP协议已经成为一种通用的工业网络层标准1。 表1?ModBus/T CP数据帧格式描述ModBus协议数据单元ModBus设备ID1字节功能码1字节数据按实际数目传输标示符字节数2字节?M odBus/TCP是简单的将Mo dBus协议帧嵌入到TCP帧中4,因为TCP/IP协议的链?层校验机制保证了数据帧传输的正确性,因而M odB?us/T CP帧中?需要校验域5。 文件的工具数的程序流程来说明一下M odBus/TCP协议的使用过程。 TXBuf和RXBuf是事先定义好的发送和接收数据的缓冲区,编程时只要将TXBuf的对应数据位按照Mo dBus/T CP协议的数据帧格式赋值即可。 按照M odBus/TCP协议,主机发送回来的数据从RXBuf9开始就是我们需要的数据了,只要将其转换成十进制即可。 3.2?自定义协议应用分析因为M odBus/T CP协议的数据包最多只能支持256个字节,传输数据?小的个别参数是比较适合的,但是像相机配置数据、作业配置数据以及需要频繁接收的实时图像数据这些比较大的数据块需要连续接收很多次才能完整接收,对于对图像显示流畅性比较敏感的智能终端来说会产生影响。 为此我们采用自定义协议来传输这种数据?比较大的文件。 图3?读取作业文件内工具数程序流程图自定义协议与ModBus/TCP协议相差?大。 数据帧的前7个字节与M odBus/T CP协议头文件的差别就是协议标示符部分,M odBus/T CP时将其赋值为0x00,而在自定义协议中需要将其赋值为0x05,以表示传输遵循的是自定义协议。 自定义协议的通信格式如表2所示。 智能终端和视觉检测系统与主从方式进?数据传输2。 智能终端在M odBus/TCP协议中处于客户端,检测系统处于主机端。 每次数据传输,智能终端先向检测系统发送请求,检测系统根据请求的内容向智能终端反馈相关数据。 以读取某作业表2?自定义协议数据帧格式位置说明值(16进制)8功能码9文件数10111213141516保留000000171819202122232425262728文件文件起始地址文件的长度ID号XX XX XX XX XX XX XX XX XX协议头长度传输内容长度XXXXXXXXXXXXXXXX00?位置!是指其在数据发送缓冲区中的所在的第几个字节,可以看出自定义协议的数据帧头部有28个字节;说明!是指缓冲区内存储数据的意义;值!是指需要赋予的值,XX!指需要根据实际的传输需要来赋值。 自定义协议的数据帧可以支持1460个字节,相对于ModBus/TCP协议来说优势明显。 在实际应用中,利用自定义协议传输的数据?比较大,也需要多次接收才能完整接收一个文件,例如接收一幅640*480的8位灰度图像,图像数据大小为307200字节,再加上100字节的图像头信息和协议头28个字节,在程序中要?断接收并判断接收到的数据大小才能在显示程序中正确显示图像。 ?88郭鹏伟等:基于ModBus/Tcp协议和自定义协议的机器视觉智能终端的设计与实现第38卷4?系统软件设计智能终端采用WinCE5.0操作系统,?但可以给用户提供美观形象的操作界面,而且其强大的线程调度机制和模块化机制可以保证系统对时间的要求及缩短开发周期;系统的软件开发平台为EVC4.0,系统开发方?39中的任意一个,智能终端在向其发起连接的时候并?知道其确切的IP地址,因而需要采用轮询的机制自动获取服务器IP地址并与之建立连接,但是在实际应用中要注意connect()函数的超时时间问题,con?nect()函数默认的超时时间为75s,在我们连接一个服务器的时候是可以等待的,但是我们采用轮询机制向多个服务器中的某个发起连接的时候等待的时间将令人无法图5?建立连接程序流程图。 系统的软件流程如图4所示。 忍受。 connect()函数的超时问题,通过简单的设定定时器的方式无法解决,需要采用设置socket非阻塞的模式加以解决。 解决的流程图如图5所示。 在连接多个服务器的时候将上述流程加入轮询机制就可以避免一次连接错误而导致连接错误的问题了。 5?结语图4?系统程序流程图基于WinCE5.0与Mo dBus/T CP协议和自定义协议的机器视觉智能终端是机器视觉系统的重要组成部分,它的出现完善了机器视觉系统的组成,弥补了计算机在工业应用中的体积庞大及成本高的?足之处。 经过现场调试及实际生产运?证明,系统的硬件设计稳定可靠、?于维护,软件设计合?、界面美观大方、操作方?,能够满足在实际生产中图像流畅性、系统稳定及可靠性的要求,同时成本低廉、体积小、?于安装和携带,完全可以在生产现场替代计算机,具有大规模应用的前景。 参考文献1王佳成,费敏锐,王海宽.基于ModBus协议的多现场总线集成测控系统设计J.自动化仪表,xx,30 (6):20252蒲靖荣,等.基于网络和ModBus协议的远程监控系统J.自动化仪表,xx,30 (7):5257系统与检测系统建立连接后,如果?被打断(按键终端或硬件变动中断)程序会?断的读取图像数据并显示。 如果检测到错误图像,系统会将错误图像自动保存以?于用户浏览查看,最多可以保存50张,存储满50张以后新保存的图片会按照先存先删的机制将第一张替代掉,错误图片被保存以后系统根据用户预先的设置进?反应:如果设置了胶片检测到错误时冻结!,则系统会停止图像的?新,流水线也会停止,直到用户按继续!键;如果设置暂停!,则系统会暂停图片?新5秒钟后继续?新,流水线也会执?相同的动作;如果设置继续!,则系统只会在状态栏提示有错误,系统和产线会继续运?。 系统还会根据用户的选择在屏幕上进?工具图像的显示。 视觉检测系统在出厂设置中,其IP地址是从(下转第99页)xx?第12期计算机与数字工程?99在美工方面本方案选择了WPF框架来做显示界面,WPF支持非破坏性图像缩放、裁切和旋转,WPF功能(如用户界面(UI)、动画和图形)能与托管代码无缝集成。 图3?业务逻辑层类图互系统使用M VP模式来实现(结构如图4),M odel实现业务逻辑,Presenter实现显示逻辑,将View和Mo del完全分离,View实现页面接口78。 这样做的优点是在用户界面层把美工界面与显示逻辑分离。 从而使可以以最小的代价来?换一套系统的U I。 5?结语综上所述,进销存管?系统在设计的过程中要注意数据库的合?性、软件架构的灵活性、软件界面的美观性,在三者的基础上根据企业的实际情况进?调整。 本案例的目的是提供一个进销存管?系统的解决方案,从整体框架出发设计该系统,描述重点在软件架构上。 参考文献1赵晓霞.进销存管?系统的设计与实现J.煤炭科技,xx (29):2442462曹文钢,陈帝江.面向制造业的可重构进销存管?系统设计J.组合机床与自动化加工技术,xx (11):9193,973汤四新.企业进销存软件应用模式分析J.财会通讯(综合版),xx (10):56574何桂霞,蔡日梅.面向纺织企业的进销存系统设计与实现J.浙江