基于P87C591的 CAN總線(xiàn)超聲測距系統設計

機器人系統控制核心由ARM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。

1 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。

P87C591是51系列單片機，對于大部分熟悉51單片機的使用者來(lái)說(shuō)它的使用方法十分簡(jiǎn)單。下面分別介紹各個(gè)組成部分。
1．1 控制部分
超聲波傳感器的控制部分采用Philips半導體公司生產(chǎn)的P87C591。它是一個(gè)單片8位高性能微控制器，具有片內CAN控制器，是從80C51微控制器家族派生出來(lái)的。它采用了強大的80C51指令集，并成功地包括了Philips半導體公司SJAl000 CAN控制器的PeliCAN功能；全靜態(tài)內核提供了擴展的節電方式；振蕩器可停止和恢復而不會(huì )丟失數據；改進(jìn)的1：1內部時(shí)鐘預分頻器在12 MHz外部時(shí)鐘速率時(shí)，實(shí)現500 ns指令周期；內部具有的16 KB內部程序存儲器完全滿(mǎn)足本系統要求。
作為系統控制核心，P87C591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P87C591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。
1．2 超聲波傳感器發(fā)射部分
超聲波傳感器發(fā)射部分硬件電路如圖3所示。

LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于錄音機和收音機之中。它是一個(gè)三級放大電路。
本部分硬件電路相對簡(jiǎn)單，主要就是利用LM386的驅動(dòng)放大功能將單片機產(chǎn)生的40 kHz方波放大輸出。因為在智能超聲波節點(diǎn)控制系統中單片機的工作相對較少，為節省硬件，不妨將40 kHz方波的產(chǎn)生這部分工作交由單片機的定時(shí)器來(lái)完成，這樣只需十分簡(jiǎn)單的硬件電路即可完成。US―T1為超聲波發(fā)射頭。
1．3 超聲波傳感器接收部分
超聲波傳感器接收部分的硬件電路如圖4所示。

電路采用集成電路CX20106A。這是一款紅外線(xiàn)檢波接收的專(zhuān)用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。實(shí)驗證明，其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當改變C1的大小，可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。R1和C1控制CX20106A內部的放大增益，R2控制帶通濾波器的中心頻率。一般取R2=4．7Ω，C1=1μF。其余元件按圖4取值。US_R1為超聲波接收頭，當收到超聲波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，接到單片機的外部中斷INTO上。
當超聲波接收頭接收到40 kHz方波信號時(shí)，將會(huì )將此信號通過(guò)CX20106A驅動(dòng)放大送入單片機的外部中斷0口。單片機在得到外部中斷O的中斷請求后，會(huì )轉入外部中斷O的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理，在移動(dòng)機器人的避障工作中，可以在中斷服務(wù)程序設定需要單片機處理的最短距離，比如O．5 m。對于距離大于0．5 m的障礙物，可以不做處理直接跳出中斷服務(wù)程序；對于距離小于或等于0．5 m的障礙物信息，則在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行處理并通過(guò)CAN總線(xiàn)上報機器人系統控制核心，由機器人系統控制核心發(fā)出命令指導機器人的避障動(dòng)作。對于多超聲波傳感器系統，每一個(gè)超聲波傳感器在判斷到對機器人行動(dòng)有障礙物時(shí)可分別在其中斷服務(wù)程序中對障礙物信息進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，上報給機器人系統控制核心的信息可以相對簡(jiǎn)單，只需機器人系統控制核心控制機器人的實(shí)際動(dòng)作，比如左轉30°，而不必機器人系統控制核心再次進(jìn)行計算，這樣會(huì )節省大量系統資源去作其他更為復雜的工作。
1．4 CAN總線(xiàn)設計部分
CAN總線(xiàn)設計部分的硬件電路如圖5所示。

TJAl040是Philips．半導體公司生產(chǎn)的完全可替代PCA82C250的高速CAN總線(xiàn)收發(fā)器。該器件提供了CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，以及對CAN總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。TJAl040具有優(yōu)秀的EMC性能，而且在不上電狀態(tài)下有理想的無(wú)源性能；它還提供低功耗管理，支持遠程喚醒。值得一提的是TJAl040的自動(dòng)防故障功能，在引腳TXD上提供了一個(gè)向VCC的上拉，使引腳TXD在不使用時(shí)保持隱性電平。引腳STB提供了一個(gè)向VCC的上拉，當不使用引腳STB時(shí)，收發(fā)器進(jìn)入待機模式。如果VCC掉電，引腳TXD、STB和RXD就會(huì )變成懸浮狀態(tài)，防止通過(guò)這些引腳產(chǎn)生反向電流。
這部分電路硬件相對簡(jiǎn)單，但對于CAN總線(xiàn)的抗干擾能力需特別注意。本設計主要突出以下幾點(diǎn)：
圖中6N137是光電耦合器，P87C591的。RXDC腳(即P1．O口)作為CAN接收器的輸入腳，TXDC口(即P1．1口)作為CAN發(fā)送器的輸出腳，都通過(guò)6N137連接至CAN發(fā)送器TJAl040。采用光電耦合器6N137的目的是增強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，這樣的設計可以很好地實(shí)現總線(xiàn)上各CAN節點(diǎn)間的電氣隔離。但要注意的是，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源VCC和V必須完全隔離，否則光耦就失去了意義?？刹捎脤?zhuān)用的電源隔離模塊來(lái)實(shí)現。

①TJAl040作為CAN總線(xiàn)收發(fā)器，與CAN總線(xiàn)的接口部分也采取了抗干擾措施。TJAl040的CAN_H和CAN_L引腳各自通過(guò)一個(gè)5Ω電阻與CAN總線(xiàn)連接，電阻可以起到一定的限流作用，保護TJAl040不受過(guò)流的沖擊。
②CAN_H和CAN_L與地之間并聯(lián)了2個(gè)30 pF的電容，可以過(guò)濾掉總線(xiàn)上的高頻干擾和一定的電磁輻射。
③2根CAN總線(xiàn)接人端與地之間分別反接了一個(gè)保護二極管。當CAN總線(xiàn)有較高的負電壓時(shí)，通過(guò)二極管的續流可起到一定的過(guò)壓保護作用。
④總線(xiàn)兩端接的120Ω電阻起匹配總線(xiàn)阻抗的作用，忽略掉它會(huì )使數據通信的抗干擾性能及可靠性大大降低甚至無(wú)法通信。
1．5 其 他
除以上提到的幾個(gè)主要部分之外，還有單片機的復位電路、外部時(shí)鐘電路和電源等幾個(gè)部分，本文只提供了一種最簡(jiǎn)單方案。在實(shí)際應用中，對于較為復雜的現場(chǎng)環(huán)境可以相應添加看門(mén)狗復位電路和獨立電源設計等復雜電路。值得注意的是，對于復位電路和電源電路應該給予足夠的重視。

2 超聲波智能節點(diǎn)控制系統的軟件編寫(xiě)
軟件的編寫(xiě)工作主要有兩個(gè)部分：超聲波測距部分和CAN總線(xiàn)的通信部分。
2．1 超聲波測距部分的軟件設計
超聲波發(fā)射部分的軟件設計相對簡(jiǎn)單。在軟件編寫(xiě)工作中，需要將超聲波持續發(fā)射一段時(shí)間以便被接收器準確接收。以下程序可作參考：

當超聲波接收器接收到回波時(shí)，硬件電路產(chǎn)生低電平觸發(fā)P87C591的外部中斷O口。軟件編寫(xiě)的主要思想是，在中斷服務(wù)程序中由寄存器預先設定一個(gè)數值，這個(gè)數值是機器人避障的最短距離。從超聲波發(fā)射頭發(fā)射方波開(kāi)始，到超聲波接收頭接收到回波為止，把這段時(shí)間換算成為距離，與上述最短距離相比較。如大于最短距離，則不作處理，跳出中斷服務(wù)程序；如等于或小于最短距離，則執行相應動(dòng)作。圖6是這部分程序的流程。
2．2 CAN總線(xiàn)通信部分的軟件編寫(xiě)
這部分軟件編寫(xiě)主要由以下幾部分組成：初始化、接收處理、發(fā)送處理、中斷處理及錯誤處理函數。由于系統中任意節點(diǎn)在任意時(shí)刻均可主動(dòng)與其他節點(diǎn)通信，故各個(gè)節點(diǎn)通信程序大致相同。具體程序的編寫(xiě)可參考P87C591的用戶(hù)手冊。

結 語(yǔ)
本文論述了以CAN總線(xiàn)擴展多路超聲波傳感器的基本思想，介紹了一種以Philips公司P87C591作為超聲波傳感器控制核心及CAN總線(xiàn)控制器和以TJAl040作為CAN總線(xiàn)收發(fā)器的CAN總線(xiàn)智能超聲波測距系統。與以往移動(dòng)機器人超聲波傳感器測距系統相比，這個(gè)設計增加了CAN總線(xiàn)部分的設計，將多路超聲波傳感器的擴展轉移到智能節點(diǎn)部分上完成，簡(jiǎn)化了移動(dòng)機器人系統控制核心的工作；采取了比較簡(jiǎn)單的硬件設計，主要是將超聲波傳感器的控制核心和CAN總線(xiàn)控制器集中到一起，采用P87C591一個(gè)器件完成兩種芯片的工作，大大節省硬件。另外，CAN總線(xiàn)的擴展也會(huì )令后續的移動(dòng)機器人系統的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)變得更為靈活。實(shí)踐證明這個(gè)設計可行，只是對于實(shí)際工作中不同應用場(chǎng)合的有些電路(比如復位電路、電源電路等外圍電路)在設計細節上還有待進(jìn)一步細化。另外，軟件編寫(xiě)方面還應特別注意多超聲波傳感器的抗干擾問(wèn)題。