用于白車身檢測的測量控制系統設計

李正輝 郭寅 張洪彬 張賓

摘要：為實現白車身在線檢測站中測量設備的統一管理與遠程通信，提高測量系統的工作效率，設計了一種用于白車身檢測的測量控制系統。采用STM32F407芯片為核心并移植μC/OSⅡ和LwIP，并搭建 Web Server實現遠程通信；建立了多線程任務，實現串口、網口和USB之間的信息交互；分析了數據路由轉發過程中存在的數據安全性問題，就通信過程中丟包現象展開討論，并提出解決方案；采用二維歸一化灰度互相關法處理圖像的二維定位，提高了處理速度。實驗結果表明，該系統能夠提供遠程通信功能，降低成本，且提高了設備管理的效率。

關鍵詞：嵌入式Web；μC/OSⅡ；數據安全；模板匹配

中圖分類號：TP274.2 文獻標志碼：A

Abstract：In order to achieve unified management and remote communication of measuring equipment in car bodyinwhite online visual inspection station， a measurement and control system for the car bodyinwhite detection was designed to improve the working efficiency. Using STM32F407 as the core， μC/OSⅡ and LwIP were transplanted to build a Web server， and the Web server was set up to realize remote communication. Multithreaded tasks were established to achieve the information interaction between serial port and net port. By analyzing the data security issue in the process of datas routing and discussing the phenomenon of packet loss on transmitting， a solution was proposed. 2D normalized crosscorrelation method was used to realize the image 2D positioning， and enhome the processing speed. The experimental results show that the system can provide remote communication function， reduce the cost， and improve the efficiency of equipment management.

Key words：embedded Web； μC/OSⅡ； data security； template matching

0 引言

白車身在線檢測站作為車身在線生產的檢測環節，基于視覺檢測技術對白車身的關鍵部位的點、棱、面及功能尺寸進行測量，具有高精度且非接觸的特點。檢測站內部測量設備均通過測量工控機進行統一控制，對系統可靠的通信控制提出了很高的要求，實現系統的監控管理勢在必行[1-2]。目前，國內現有系統的測量控制采取串行集中式處理模式，但其通信距離短，檢測系統的通信控制須通過現場的工控機才能完成，對檢測站的遠程通信成為一種迫切需求；隨著汽車產量的提高，工控機主要處理和分析測量數據，作為圖像處理或其他用途勢必會降低其工作效率；工控機通過分配I/O口對設備進行控制，傳感器輸出的視頻信號進入圖像采集卡，再由工控機處理，主機插卡包較多，導致現場布線復雜、故障率偏高、工作效率不高，且擴展能力差，所以檢測站更高效的運行需要尋求一種新的方式。

隨著互聯網技術的廣泛應用使得各種設備的數據通過以太網傳輸，其通信速度快、通信距離不受限制、組網靈活、管理高效。將現有的設備集中起來并接入以太網，將來自網絡的數據經過TCP/IP協議解析后發往各個設備；或將各個設備發來的數據經過TCP/IP協議打包發往遠程客戶端[3]。采用灰度模板匹配算法分析和處理圖像[4]，得到圖像坐標信息后通過以太網傳給工控機，代替工控機完成測量環節。該系統集測量控制于一身，其成本低、故障率低，且管理高效。

1 總體方案設計

白車身測量控制系統包括多個視覺傳感器和傳感器微控制器，其中視覺傳感器和微控器共同組成串行設備作為圖像采集單元掛接在測量控制盒上，采用RS485作為系統通信總線實現測量信號與控制信號的傳輸。

本文設計的測量控制系統采用分布式系統處理方式，提供4路RS485串行接口，1路10M/100M以太網接口，1路B5Pin型的USB接口。遠程客戶端以網線接入測控系統的以太網接口實現連接，近程控制接口為USB接口?？蛻舳耸强梢赃B入以太網的遠程PC機，用戶不用安裝任何專用軟件，利用測量控制系統中的Web Server，在瀏覽器輸入系統的IP地址就可以調出Web界面來對系統進行遠程配置和通信[5]?？傮w來看，系統由集中式處理方式變為分布式處理方式，具有優良的可擴展性。其總體結構框架如圖1所示。

2 測量控制系統設計

本系統主要分為通信控制環節和測量環節。通信控制環節主要實現數據傳輸和控制信號的收發，并保證傳輸收發過程中的安全性；測量環節主要基于模板匹配算法，處理采集的圖像后得出結果，最終傳回工控機完成測量環節。

2.1 硬件設計

MCU采用高性能微處理器CortexM4芯片STM32F407，以168MHz高速運行時具有高達210DMIPS處理能力，硬件接口資源豐富，能夠滿足系統的要求；網口模塊與串口模塊作為系統的通信部分，共同實現測量設備與遠程客戶端的通信控制環節和測量環節中數據及指令的傳輸；選用USB2.0規范的B5Pin型接口作為近距離調試接口，存儲芯片（E2PROM）采用ATMEL公司的AT24C04，主要存儲配置階段的數據和標志位。

硬件系統設計如圖2所示。

2.2 通信控制環節設計

本系統的通信控制環節中，遠程配置及監控依靠網口通信完成，近程控制通過USB通信實現。為了保證系統通信時的可靠性和實時性，對本系統植入μC/OSⅡ操作系統提供任務調度機制。同時考慮到嵌入式系統資源相當寶貴，選用LwIP（Light Weight IP）作為TCP/IP協議棧移植到該系統中。LwIP實現的重點是在保持了TCP/IP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，是一種輕量級IP協議，適合在一般的嵌入式系統中使用[6]。本系統的通信控制環節設計分為兩個主要部分：遠程參數配置和數據轉發機制。

2.2.1 遠程參數配置

為實現客戶端對系統參數的遠程配置，需采用動態網頁技術。目前，能實現動態網頁技術的有CGI（Common Gateway Interface）、ASP、PHP和JSP等。由于ASP、PHP、JSP等技術需要依賴相應的語言支持，而CGI程序可用任何語言編寫，且沒有和任何特定的服務器結構聯系在一起?？紤]到本系統編程語言限制、資源有限等因素，選用CGI技術[7-10]。本文采用Httpd Server作為嵌入式Web Server，在μC/OSⅡ嵌入式操作系統中移植LwIP的基礎上，添加Httpd Server的源代碼，CGI工作流程如圖3所示。

2.2.2 數據轉發機制

本系統參考了靜態路由表的工作機制[11]，并基于Modbus總線協議規定消息幀中包含目標設備的地址，將這些地址位分配給各個串口，配置串口號對應地址位的路由表。為保證數據的正確性和完整性，消息幀的末位校驗采用循環冗余碼校驗（Cyclic Redundancy Check， CRC）方式，根據生成的CRC16校驗碼多項式可以計算得到一個16位的二進制數作為校驗碼附在幀結尾處。發送方在發送了帶有校驗碼的指令后，接收方會通過該多項式來驗證收到的CRC16校驗碼，當接收到的校驗位與計算得到的校驗位不一致時表明數據錯誤，需要提醒主機重發，提高了數據的安全性和識別錯誤的可靠性。其消息幀的幀格式如表1所示。

傳統的控制系統中消息傳輸路徑是固定的，一旦加入新的測量設備，需重新修改下位機程序，系統調整不靈活。本文采用CGI動態網頁技術配置路由表，將預先分配好的設備地址位并存于E2PROM中，當有數據要轉發時要先讀取E2PROM中的地址位，判斷該地址位所對應的串口號，再發往目標串口，實現數據的路由轉發。數據路由轉發流程如圖4所示。

本文采用消息隊列實現不同任務間的通信。對于通信過程中，主要會出現兩種類型的數據丟包問題。假設當任務1在t1時刻向任務2發送msg1，但由于某些特殊原因使得任務2接收延時，這時在t2時刻任務1向任務2發送了msg2，那么msg1就可能被msg2覆蓋，致使msg1丟失，這是由通信延遲造成的數據丟失問題[12]。

為解決上述數據丟失問題，在原有消息隊列通信程序的基礎上加入判斷機制，即任務1在發送數據且任務2接收數據后需判斷接收標志位是否為0才能發送下一包數據。采用共享全局變量作為判斷標志位，與信號量和郵箱相比更加快捷有效，其通信過程如圖5所示。在標志位判斷及發送接收數據程序段的兩端需要加入OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（），這兩句代碼之間的程序是不可以被系統的中斷打斷或者進行任務切換的，對當前程序段加鎖，確保變量在判斷時不被其他任務或中斷改變。

第二種數據丟包問題發生在速率非對等的數據傳輸過程中，將在后文中進行討論。

3 測量環節灰度模板匹配算法

測量控制系統中的測量環節采用灰度模板匹配的方法對采集圖像進行處理，得到圖像特征的位置信息后通過以太網打包發送給工控機，完成系統的測量環節。

模板匹配過程中的匹配精度影響著對圖片坐標信息的準確定位，為了準確得到圖片特征的二維信息，匹配算法采用去均值二維歸一化灰度互相關法作為相似性測度[13-14]。如圖6所示，假設用行數*列數=m*n的模板圖像T去匹配原始圖像D，定義歸一化灰度互相關系數ρ（u，v），如式（1）所示：

4 系統測試

4.1 消息指令丟包率實驗

針對第1類數據丟包問題，修改延時函數OSTimeDly（）使得串口任務每500ms向消息隊列申請消息，網口任務每300ms向消息隊列發送消息來模擬數據接收任務的延遲。傳統程序和優化程序的對比如表2所示，沒有加入判斷機制的程序發送的msg3和msg6分別覆蓋了msg2和msg5，導致了msg2和msg5數據的丟失。而修改后的程序在接收msg2和msg5時進行了標志位判斷，只有當串口任務成功接收消息后，網口任務才能夠繼續發送數據，這樣保證了數據的安全性。

5 結語

本文設計了一種應用在白車身檢測中的智能測量控制系統，在μC/OSⅡ操作系統和LwIP協議棧的支持下，搭建Web Server，實現遠程通信；定義協議的CRC16校驗和多任務間通信的數據接收判斷機制，保證了數據收發的安全性；采用基于二維歸一化灰度互相關法的模板匹配算法對圖像特征進行二維定位；最后完成系統設計的具體方案并在白車身在線檢測站成功運用。實驗表明，本系統提高了工作效率，減小了故障率，且易于維護，為搭建白車身在線測量檢測站測量控制平臺打下基礎。

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