基于P87C591的CAN總線(xiàn)超聲測距系統設計方案

　　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。UST1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。

圖4 超聲波傳感器接收部分

　　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R1=4.7 Ω，C1=1 μF。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INT0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0的中斷請求后，會(huì )轉入外部中斷0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0.5 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。

　　TJA1040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。TJA1040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TJA1040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P1.0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TJA1040。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。

圖5 CAN總線(xiàn)設計部分

　?、?TJA1040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。TJA1040的CAN_H和CAN_L引腳各自通過(guò)一個(gè)5 Ω電阻與CAN總線(xiàn)連接，電阻可以起到一定的限流作用，保護TJA1040不受過(guò)流的沖擊。
　?、?CAN_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。
　?、?2根CAN總線(xiàn)接入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。
　?、?總線(xiàn)兩端接的120 Ω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。