CN114813567B - 一种基于stm32芯片的飞拍自动化视觉设备通用运动控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞拍自动化视觉检测技术领域，且公开了一种基于STM32芯片的飞拍自动化视觉设备通用运动控制模块，运动控制模块按照功能划分包括有stm32f407微控制单元子模块、伺服控制子模块、伺服编码器反馈接收子模块、IO电控子模块、RJ45通信子模块、飞拍起始点传感器输入子模块，光源控制子模块，相机控制子模块，分选控制子模块。本发明通过基于STM32芯片的运动控制模块由上位机发送指令，由为控制单元模块根据指令调度各模块协同工作，实现整个飞拍过程，基于STM32F407的时钟频率，配合底层的嵌入式开发程序，可实现高精度的比较触发，还可通过多个模块叠加完成更多相机光源参与、更多分选信号要求、更多轴运动控制的一般飞拍流程，有较强的扩展性。

Description

一种基于STM32芯片的飞拍自动化视觉设备通用运动控制 模块

技术领域

本发明属于飞拍自动化视觉检测技术领域，具体为一种基于STM32芯片的飞拍自动化视觉设备通用运动控制模块。

背景技术

随着工业生产自动化程度的提高，在现代的工业生产中越来越多的融入了自动化视觉检测设备，以代替传统的人工检测流程。该类设备主要实现方式就是利用传感器获取图像，通过机器视觉分析后得到检测结果，从而实现自动化检测的目的。该类设备的运作模式通常分为停拍与飞拍两大类：停拍即检测样品运动到指定拍照位置时样品停止运动，此时触发相机拍照，对样品图像进行处理后输出检测结果，接着执行下一步动作(图4)；飞拍即使用硬件比较输出或精准输出端口在极短时间内触发相机拍照，而被测物品在拍照过程中仍处于运动状态，与此同时被测物品通过图像处理软件计算出其位置的偏移量，执行机构获取视觉输出的偏移量后再做出相应的动作指令(图5)。停拍模式的实现方式和运动控制以及定位比较简单，但是生产效率较低，无法满足高速度的检测项目要求。随着工业生产的节拍越来越高，为保证生产效率，飞拍模式的自动化视觉检测设备比重逐渐增大。

飞拍自动化视觉检测设备虽然可以满足更高速的检测节拍，但是飞拍模式不仅需要运动控制模块有硬件比较输出或精准输出功能做高速精准触发控制，而且要求相机的拍照响应时间快、曝光时间短、帧率高，软件处理时间要短，对于运动控制模块来说就是要实现与上位机的实时通信。目前飞拍模式的运动控制解决方案主流有两种，一种为基于PLC编程的控制方案，一种是基于工控机加装运动控制板卡的控制方案。前者由于PLC在较复杂的任务下难以保证实时高精度的比较输出，从而在飞拍定位精准性方面略逊一筹。后者虽然有着较强的高精度比较输出能力，但是其实现灵活性较低，用户无法修改底层代码逻辑，而且其成本也较高，不适合一些成本敏感或者实现逻辑与板卡底层逻辑不匹配程度较大的设备使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于STM32芯片的飞拍自动化视觉设备通用运动控制模块，使得其达到既拥有高精度的比较输出能力，也可以通过编程灵活实现各种逻辑控制，成本也相对较低的目的。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于STM32芯片的飞拍自动化视觉设备通用运动控制模块，包括运动控制模块与上位机编程接口，运动控制模块按照功能划分包括有stm32f407微控制单元子模块、伺服控制子模块、伺服编码器反馈接收子模块、IO电控子模块、RJ45通信子模块、飞拍起始点传感器输入子模块，光源控制子模块，相机控制子模块，分选控制子模块；

STM32F407微控制单元子模块由STM32F407芯片组成；

伺服驱动子模块与设备中的伺服电机放大器的动力、启停部分连接；

伺服编码器反馈接收子模块与设备中的伺服放大器编码器输出部分连接；

IO电控子模块由12路GPIO输出与8路GPIO输入组成，可与设备中的电信号控制设备或电信号发送设备连接；

RJ45通信子模块与上位机(工控机)通过网线连接；

飞拍起始点传感器输入子模块为一个传感器电信号接受模块；

光源控制子模块由六路的高精度定位GPIO输出组成，与设备中的光源控制器触发端连接；

相机控制子模块由六路的高精度定位GPIO输出组成，与设备中的工业相机触发端连接；

分选控制子模块由六路的高精度定位GPIO输出组成，与设备中的分选信号接收部分连接。

优选地，所述上位机编程接口可直接面向C#、C++语言开发，且其具体包括如下接口：模块通信连接接口、设置飞拍流程参数接口、启动飞拍流程接口、停止飞拍流程接口、设置电机运动接口、启动电机运动、停止电机运动、读取电机相对位置、开始位置调整接口、停止位置调整接口、GPIO输出设置接口、GPIO输入中断接口、开始频闪调试接口、停止频闪调试接口、复位接口。

优选地，针对上位机编程各接口功能如下：

模块通信连接接口：上位机程序可通过该接口实现本发明模块与上位机的TCP连接并初始化本发明模块功能；

设置飞拍流程参数接口：上位机程序可通过该接口设置本发明模块飞拍流程中的各类参数，其中包括光源数量、光源触发位置、光源触发延时、相机数量、相机触发位置、相机触发延时、分选信号数量、分选信号触发位置、分选信号触发延时。

启动飞拍流程接口：上位机程序可通过该接口在设置完毕飞拍流程相关参数后启动飞拍流程，在飞拍流程启动后，检测设备在停止飞拍流程接口调用前一直处于工作状态。

停止飞拍流程接口：上位机程序可通过该接口在设备处于工作状态的情况下停止飞拍流程，飞拍流程停止后，检测设备将处于待机状态。

设置电机运动接口：上位机程序可通过该接口设置本发明伺服控制模块飞拍流程中伺服电机的运动速度、运动方向、运动加速度、运动启停参数，也可通过运动模式参数直接编辑运动轨迹逻辑，控制飞拍过程中伺服电机的运动。

启动电机运动：上位机程序可通过该接口在设置完毕电机运动相关参数后控制伺服控制模块使能电机并启动电机运动。

停止电机运动：上位机程序可通过该接口控制伺服控制模块停止电机运动并关闭电机使能。

读取电机相对位置：上位机程序可通过该接口读取电机编码器相对于最后一次触发飞拍流程起点传感器时电机编码器示数的相对位置。

开始位置调整接口：上位机程序可通过该接口在设置完毕电机运动相关参数后使能电机，辅以读取电机相对位置接口，以便调试人员确定飞拍过程各光源、相机、分选的触发位置。

停止位置调整接口：在调试人员确定飞拍过程各光源、相机、分选的触发位置后，上位机程序可通过该接口在关闭电机使能。

GPIO输出设置接口：上位机程序可通过该接口设置IO电控模块上指定的GPIO输出点位的使能状态。

GPIO输入中断接口：上位机程序可通过该接口定义IO电控模块上指定的GPIO输入点位的使能状态发生变化时触发的事件。

开始频闪调试接口：上位机程序可通过该接口控制相机控制模块中指定相机触发端口按照设置的频率开始进行触发并控制光源控制模块中指定光源触发端口按照同频率开始前置触发，以达到光源在频闪状态下相机连续取像的目的，以便调试人员静止观察相机拍摄效果并调整相机与光源的相关参数。

停止频闪调试接口：在调试人员静止观察相机拍摄效果并调整相机与光源的相关参数完毕后，上位机程序可通过该接口控制相机控制模块中指定相机触发端口停止触发并控制光源控制模块中指定光源触发端口停止触发。

复位接口：上位机程序可通过该接口将本发明运动控制模块复位到初始状态。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过基于STM32芯片的运动控制模块由上位机发送指令，由为控制单元模块根据指令调度各模块协同工作，实现整个飞拍过程；该模块单个可控制≤6相机触发+≤6光源触发+≤6分选信号+单轴运动控制的一般飞拍流程；基于STM32F407的时钟频率，配合底层的嵌入式开发程序，定位精度可达≤20μs，可实现高精度的比较触发；还可通过多个模块叠加完成更多相机光源参与、更多分选信号要求、更多轴运动控制的一般飞拍流程，有较强的扩展性。

附图说明

图1为本发明模块组成示意图；

图2为本发明模块以集成电路的形式实现的概要设计图；

图3为本发明模块安装顺序流程图；

图4为现有飞拍技术部分示意图；

图5为现有飞拍技术获得指令后部分示意图；

图6为本发明控制模块主函数流程图；

图7为本发明LWIP中断回调函数流程图；

图8为本发明控制模块外部中断回调函数流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明设计了一种基于STM32芯片的运动控制模块和一套上位机编程接口，其概要如下：

1.基于STM32芯片的运动控制模块

本发明的基于STM32芯片的运动控制模块，是以STM32F407芯片为微控制单元的一整套运动控制模块。该模块以集成电路的形式实现，其概要设计如图2所示。如图1所示，该模块按照功能模块划分包括stm32f407微控制单元子模块、伺服控制子模块、伺服编码器反馈接收子模块、IO电控子模块、RJ45通信子模块、飞拍起始点传感器输入子模块，光源控制子模块，相机控制子模块，分选控制子模块；

STM32F407微控制单元子模块由STM32F407芯片组成，主要负责实现模块基本功能逻辑，控制各功能模块协同工作；

伺服驱动子模块与设备中的伺服电机放大器的动力、启停部分连接，主要功能为驱动伺服电机运转，控制伺服电机启停，控制伺服电机实现自定义复杂运动；

伺服编码器反馈接收子模块与设备中的伺服放大器编码器输出部分连接，主要功能为接受伺服电机编码器反馈并解析；

IO电控子模块由12路GPIO输出与8路GPIO输入组成，可以与设备中的电信号控制设备或电信号发送设备连接，主要功能为发送和接受电信号；

RJ45通信子模块与上位机(工控机)通过网线连接，主要功能为与上位机进行TCP通信，接受上位机指令以及发送返回信息；

飞拍起始点传感器输入子模块为一个传感器电信号接受模块，主要功能为接受飞拍流程的起始点触发信号；

光源控制子模块由六路的高精度定位GPIO输出组成，与设备中的光源控制器触发端连接，主要功能为控制飞拍过程中光源的触发；

相机控制子模块由六路的高精度定位GPIO输出组成，与设备中的工业相机触发端连接，主要功能为控制飞拍过程中的相机触发；

分选控制子模块由六路的高精度定位GPIO输出组成，与设备中的分选信号接收部分连接，主要功能为根据飞拍过程中上位机的分选结果向设备发送分选信号。

本发明的基于STM32芯片的运动控制模块由上位机发送指令，由为控制单元模块根据指令调度各模块协同工作，实现整个飞拍过程。该模块单个可控制≤6相机触发+≤6光源触发+≤6分选信号+单轴运动控制的一般飞拍流程。基于STM32F407的时钟频率，配合底层的嵌入式开发程序，定位精度可达≤20μs，可实现高精度的比较触发。还可通过多个模块叠加完成更多相机光源参与、更多分选信号要求、更多轴运动控制的一般飞拍流程，有较强的扩展性。

2.上位机编程接口

本发明的一种基于STM32芯片的飞拍自动化视觉设备通用运动控制模块，还集成了一整套供上位机程序开发使用的编程接口，其目的在于使该模块可以在飞拍自动化视觉检测设备上位机程序开发过程中较为容易的使用该模块实现其飞拍过程运动控制功能。该上位机编程接口可直接面向C#、C++语言开发，以下为编程接口介绍：

2.1模块通信连接接口

上位机程序可通过该接口实现本发明模块与上位机的TCP连接并初始化本发明模块功能。

2.2设置飞拍流程参数接口

上位机程序可通过该接口设置本发明模块飞拍流程中的各类参数，其中包括光源数量、光源触发位置、光源触发延时、相机数量、相机触发位置、相机触发延时、分选信号数量、分选信号触发位置、分选信号触发延时。

2.3启动飞拍流程接口

上位机程序可通过该接口在设置完毕飞拍流程相关参数后启动飞拍流程，在飞拍流程启动后，检测设备在停止飞拍流程接口调用前一直处于工作状态。

2.4停止飞拍流程接口

上位机程序可通过该接口在设备处于工作状态的情况下停止飞拍流程，飞拍流程停止后，检测设备将处于待机状态。

2.5设置电机运动接口

上位机程序可通过该接口设置本发明伺服控制模块飞拍流程中伺服电机的运动速度、运动方向、运动加速度、运动启停参数，也可通过运动模式参数直接编辑运动轨迹逻辑，控制飞拍过程中伺服电机的运动。

2.6启动电机运动

上位机程序可通过该接口在设置完毕电机运动相关参数后控制伺服控制模块使能电机并启动电机运动。

2.7停止电机运动上位机程序可通过该接口控制伺服控制模块停止电机运动并关闭电机使能。

2.8读取电机相对位置

上位机程序可通过该接口读取电机编码器相对于最后一次触发飞拍流程起点传感器时电机编码器示数的相对位置。

2.9开始位置调整接口

上位机程序可通过该接口在设置完毕电机运动相关参数后使能电机，辅以读取电机相对位置接口，以便调试人员确定飞拍过程各光源、相机、分选的触发位置。

2.10停止位置调整接口

在调试人员确定飞拍过程各光源、相机、分选的触发位置后，上位机程序可通过该接口在关闭电机使能。

2.11GPIO输出设置接口

上位机程序可通过该接口设置IO电控模块上指定的GPIO输出点位的使能状态。

2.12GPIO输入中断接口

上位机程序可通过该接口定义IO电控模块上指定的GPIO输入点位的使能状态发生变化时触发的事件。

2.13开始频闪调试接口

上位机程序可通过该接口控制相机控制模块中指定相机触发端口按照设置的频率开始进行触发并控制光源控制模块中指定光源触发端口按照同频率开始前置触发，以达到光源在频闪状态下相机连续取像的目的，以便调试人员静止观察相机拍摄效果并调整相机与光源的相关参数。

2.14停止频闪调试接口

在调试人员静止观察相机拍摄效果并调整相机与光源的相关参数完毕后，上位机程序可通过该接口控制相机控制模块中指定相机触发端口停止触发并控制光源控制模块中指定光源触发端口停止触发。

2.15复位接口上位机程序可通过该接口将本发明运动控制模块复位到初始状态。

以上接口在C#和C++语言环境下均有实现，在硬件组成不变的前提下，上位机与本发明的运动控制模块之间的通讯协议以及下位机程序都提供修改的空间，可以提升在应用过程中的灵活性和通用性。

在本发明的模块安装好后，需要进行一系列与周边设备的连接，以达成最终的飞拍流程控制目的。如图3所示，其步骤如下：

S1.将24V电源线接入运动控制模块；

S2.将光源控制子模块的相应端口与待控光源的光源控制器触发端连接；

S3.将相机控制子模块的相应端口与待控工业相机触发端连接；

S4.将分选控制子模块的相应端口与设备分选信号接受部分连接；

S5.用网线连接上位机与本发明模块；

S6.将IO电控子模块的相应输出端口与待控设备连接；

S7.将设备中待上位机处理的电信号接入IO电控子模块的相应输入端口；

S8.将上位机与运动控制模块连接的网口与本发明模块设置为同一IP段；

S9.通过上位机编程接口辅助实现上位机编程；

S10.视觉、机构、电气联合调试，最后实现设备预期功能。

如图6所示，运动控制模块开始工作时，GPIO、定时器、LWIP终端硬件初始化工作，随后变量开始进行初始化工作，当光源、相机与吹气数据组比对，执行工作时：

若是LWIP掉线无法工作，则返回上一步二次比对执行工作，直至能够正常工作、无掉线情况为止；

若LWIP无掉线情况，则开始初始化LWIP，随后循环到光源、相机与吹气数据组比对，执行工作，从而实现循环工作。

如图7所示，LWIP中断接受回调用函数，随后系统开始判断一帧的数据，随后对数据进行解析处理，解析完毕后，将一帧解析完毕的数据分别同步输送到光源触发设置、相机触发设置、吹气触发设置、光源触发延时设置、相机触发延时设置、吹气触发延时设置、吹气使能设置、开始分拣设置、停止分拣设置、电机控制设置、输入输出接口控制，传输完毕后工作结束。

如图8所示，外部中断回调函数将函数数据分别发送到两部分：

一部分开始进行电机编码器触发中断的判断，，若是无中断情况则进入到下一阶段，此时脉冲参数加1，若是脉冲参数大于等于180000，则脉冲参数归零，该部分工作结束，若是脉冲参数小于180000，则该循环直接结束；

另一部分则是进行进料传感器触发中断的判断，若触发工作中断则出现两种情况：

工件接触部分，进料缓存加1，如超范围赋值0，随后进行当前缓存是否未处理的判断，若没有处理则直接结束工作，若是还未处理，则判断其与上一个工件之间的间隔时间视为小于50毫秒，若不是，结束工作；若是，则是当前工件进行数组缓存,随后结束工作；

工件离开部分，系统开始计算工件中间距离的进料缓存值，计算完毕后结束工作。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于STM32芯片的飞拍自动化视觉设备通用运动控制模块，包括运动控制模块与上位机编程接口，其特征在于：运动控制模块按照功能划分包括有stm32f407微控制单元子模块、伺服控制子模块、伺服编码器反馈接收子模块、IO电控子模块、RJ45通信子模块、飞拍起始点传感器输入子模块，光源控制子模块，相机控制子模块，分选控制子模块；

STM32F407微控制单元子模块由STM32F407芯片组成；

伺服驱动子模块与设备中的伺服电机放大器的动力、启停部分连接；

伺服编码器反馈接收子模块与设备中的伺服放大器编码器输出部分连接；

IO电控子模块由12路GPIO输出与8路GPIO输入组成，可与设备中的电信号控制设备或电信号发送设备连接；

RJ45通信子模块与上位机通过网线连接；

飞拍起始点传感器输入子模块为一个传感器电信号接受模块；

光源控制子模块由六路的高精度定位GPIO输出组成，与设备中的光源控制器触发端连接；

相机控制子模块由六路的高精度定位GPIO输出组成，与设备中的工业相机触发端连接；

分选控制子模块由六路的高精度定位GPIO输出组成，与设备中的分选信号接收部分连接；

所述上位机编程接口包括开始频闪调试接口和停止频闪调试接口；

开始频闪调试接口：上位机程序可通过该接口控制相机控制模块中指定相机触发端口按照设置的频率开始进行触发并控制光源控制模块中指定光源触发端口按照同频率开始前置触发，以达到光源在频闪状态下相机连续取像的目的，以便调试人员静止观察相机拍摄效果并调整相机与光源的相关参数；

停止频闪调试接口：在调试人员静止观察相机拍摄效果并调整相机与光源的相关参数完毕后，上位机程序可通过该接口控制相机控制模块中指定相机触发端口停止触发并控制光源控制模块中指定光源触发端口停止触发。

2.根据权利要求1所述的一种基于STM32芯片的飞拍自动化视觉设备通用运动控制模块，其特征在于，所述上位机编程接口可直接面向C#、C++语言开发，且其具体包括如下接口：模块通信连接接口、设置飞拍流程参数接口、启动飞拍流程接口、停止飞拍流程接口、设置电机运动接口、启动电机运动、停止电机运动、读取电机相对位置、开始位置调整接口、停止位置调整接口、GPIO输出设置接口、GPIO输入中断接口、复位接口。

3.根据权利要求2所述的一种基于STM32芯片的飞拍自动化视觉设备通用运动控制模块，其特征在于，针对上位机编程各接口功能如下：

模块通信连接接口：上位机程序可通过该接口实现模块与上位机的TCP连接并初始化模块功能；

设置飞拍流程参数接口：上位机程序可通过该接口设置模块飞拍流程中的各类参数，其中包括光源数量、光源触发位置、光源触发延时、相机数量、相机触发位置、相机触发延时、分选信号数量、分选信号触发位置、分选信号触发延时；

启动飞拍流程接口：上位机程序可通过该接口在设置完毕飞拍流程相关参数后启动飞拍流程，在飞拍流程启动后，检测设备在停止飞拍流程接口调用前一直处于工作状态；

停止飞拍流程接口：上位机程序可通过该接口在设备处于工作状态的情况下停止飞拍流程，飞拍流程停止后，检测设备将处于待机状态；

设置电机运动接口：上位机程序可通过该接口设置伺服控制模块飞拍流程中伺服电机的运动速度、运动方向、运动加速度、运动启停参数，也可通过运动模式参数直接编辑运动轨迹逻辑，控制飞拍过程中伺服电机的运动；

启动电机运动：上位机程序可通过该接口在设置完毕电机运动相关参数后控制伺服控制模块使能电机并启动电机运动；

停止电机运动：上位机程序可通过该接口控制伺服控制模块停止电机运动并关闭电机使能；

读取电机相对位置：上位机程序可通过该接口读取电机编码器相对于最后一次触发飞拍流程起点传感器时电机编码器示数的相对位置；

开始位置调整接口：上位机程序可通过该接口在设置完毕电机运动相关参数后使能电机，辅以读取电机相对位置接口，以便调试人员确定飞拍过程各光源、相机、分选的触发位置；

停止位置调整接口：在调试人员确定飞拍过程各光源、相机、分选的触发位置后，上位机程序可通过该接口在关闭电机使能；

GPIO输出设置接口：上位机程序可通过该接口设置IO电控模块上指定的GPIO输出点位的使能状态；

GPIO输入中断接口：上位机程序可通过该接口定义IO电控模块上指定的GPIO输入点位的使能状态发生变化时触发的事件；

复位接口：上位机程序可通过该接口将运动控制模块复位到初始状态。