基于PIC18F2580的CAN總線(xiàn)超聲波測距智能節點(diǎn)設計

1 引言
移動(dòng)機器人要實(shí)現在不確定環(huán)境下運行，必須具備自動(dòng)導航和避障功能。在移動(dòng)機器人的導航系統中，傳感器起著(zhù)舉足輕重的作用。視覺(jué)、激光、紅外、超聲傳感器等都在實(shí)際系統中得到了廣泛的應用。其中，超聲波傳感器以其信息處理簡(jiǎn)單、速度快和價(jià)格低，被廣泛用作移動(dòng)機器人的測距傳感器，以實(shí)現避障、定位、環(huán)境建模和導航等功能。本文介紹的CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)的設計以Microchip公司的PIC18F2580控制核心。由于PIC18F2580有片上自帶的CAN控制器并且為CAN的應用提供了許多專(zhuān)用的硬件功能，因此又將它作為了系統的CAN總線(xiàn)控制器，大大節省了主控系統的資源。CAN總線(xiàn)的收發(fā)器采用TJAl040。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖
機器人系統控制核心由ARM或DSP實(shí)現。其主要功能是處理需要復雜計算的信息，將經(jīng)過(guò)處理的信息再送回CAN總線(xiàn)，并對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行管理。超聲波智能節點(diǎn)控制系統的主要功能就是判斷障礙物位置，將對移動(dòng)機器人前進(jìn)方向有阻礙的障礙物信息通過(guò)CAN總線(xiàn)傳回主控系統，由主控系統作出相應處理并進(jìn)行避障動(dòng)作。本文將著(zhù)重介紹超聲波智能節點(diǎn)控制系統。
2 超聲測距原理
超聲測距的原理較簡(jiǎn)單，一般采用渡越時(shí)間法，即：
D=ct／2 （1）
其中D為移動(dòng)機器人與被測障礙物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。聲波在空氣中傳輸速率為：
c= co（2）
其中，T為絕對溫度，co =331.4m／s。在不要求測距精度很高的情況下，一般可以認為c為常數。渡越時(shí)間法主要是測量超聲發(fā)射到超聲返回的時(shí)間間隔t，即“渡越時(shí)間”，然后根據式（1）計算距離。
3 超聲波智能節點(diǎn)控制系統的硬件設計
超聲波智能節點(diǎn)控制系統的硬件電路如圖2所示。
3.1 控制電路
超聲波傳感器的控制部分采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC18F2580。它是一個(gè)單片8位高性能微控制器，采用了哈佛總線(xiàn)結構，運行速度高，功耗低，抗干擾能力強，具有片內CAN控制器。
作為系統控制核心，PIC18F2580擔負兩個(gè)主要任務(wù)。其一是作為超聲波傳感器的控制核心，在其普通I／O口上擴展了超聲波傳感器的接收和發(fā)射部分電路，利用單片機軟件功能產(chǎn)生40 kHz信號并通過(guò)驅動(dòng)放大發(fā)射出去，再利用接收部分電路進(jìn)行接收。另外可以對其余口線(xiàn)繼續進(jìn)行超聲波傳感器的擴展，實(shí)現多個(gè)超聲波傳感器系統的設計。其二是利用PIC18F2580的片內CAN控制器實(shí)現與CAN總線(xiàn)的連接。這樣的設計改變了過(guò)去在機器人控制核心上進(jìn)行超聲波測距系統的設計，不但將超聲波檢測與處理的工作轉移到了單片機上，大大節省了機器人控制核心的系統資源，還將CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)的大部分控制工作也轉移到了單片機上，節省了硬件資源，同時(shí)CAN總線(xiàn)的采用大大提升了系統的抗干擾能力，使機器人控制系統更加穩定地工作。

圖2 測距節點(diǎn)控制電路圖