基于CAN總線(xiàn)通信設計的的重型汽車(chē)內輪差預警系統

1 內輪差原理

　　內輪差是車(chē)輛轉彎時(shí)的前內輪的轉彎半徑與后內輪的轉彎半徑之差。由于內輪差的存在，車(chē)輛轉彎時(shí)，前、后車(chē)輪的運動(dòng)軌跡不重合。內輪差的大小與轉動(dòng)方向盤(pán)的幅度和車(chē)輛軸距的長(cháng)短有關(guān)，方向盤(pán)轉動(dòng)幅度越大即轉向角度越大，內輪差越大，反之越小;車(chē)輛的軸距越長(cháng)，內輪差越大，反之則越小。重型汽車(chē)車(chē)身都比較長(cháng)，尤其是車(chē)頭轉過(guò)去后，還有很長(cháng)的車(chē)身沒(méi)有轉過(guò)來(lái)，極易形成大型車(chē)輛司機的“視覺(jué)盲區”，路人步入內輪范圍后，容易造成生命危險。如圖1中的陰影部分為內輪差的形成區域。

圖1 內輪差示意圖

2 超聲波預警原理

2.1超聲波測距原理

　　諧振頻率高于20KHZ的聲波被稱(chēng)為超聲波。超聲波為直線(xiàn)傳播，頻率越高，則繞射能力越弱，反射能力越強。超聲波測距的方法多種多樣，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時(shí)間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限;聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本文采用往返時(shí)間檢測法，其工作原理是：使超聲波發(fā)射探頭向介質(zhì)發(fā)射超聲脈沖，聲波遇到被測物體后必有反射波作用于接收探頭。若已知介質(zhì)中的聲速為V，發(fā)射脈沖時(shí)刻與第一個(gè)反射波到達時(shí)刻的時(shí)間差為 T，則探頭與被測物體距離S=VT/2，對距離值改變的測算可以實(shí)現所需的控制目的。超聲波的速度V與溫度相關(guān)，空氣中的聲速與溫度的關(guān)系可表示為：

　?。?）

2.2 輪差檢測中超聲波傳感器的布置

　　汽車(chē)在行駛中即會(huì )向左側轉彎也會(huì )向右側轉彎，因此超聲波傳感器應該在車(chē)身的兩邊對稱(chēng)安裝。本系統中一共需要安裝三對傳感器，一對安裝在前輪附近，為了提醒司機轉彎時(shí)車(chē)身后面是否會(huì )撞到轉彎內側的物體;第二對安裝在軸距中間附近，為了防止有物體在汽車(chē)轉彎時(shí)突然出現在轉彎內側;第三對安裝在后輪附件，為了及時(shí)提醒司機危險狀況。

3 系統硬件設計

　　本系統將單片機技術(shù)、超聲波測距技術(shù)與CAN總線(xiàn)通信技術(shù)等相結合，可檢測汽車(chē)在轉彎過(guò)程中汽車(chē)內側狀況。預警系統的三對測距傳感器獨立工作，通過(guò)CAN 總線(xiàn)經(jīng)接口芯片PCA82C250驅動(dòng)將數據傳輸到主控制器。測距采用SensComp 600傳感器和SensComp 6500超聲波距離模塊;單片機采用低成本的AT89C51主要功能為：1、用于控制測距傳感器并把測量數據實(shí)時(shí)通過(guò)CAN控制器SJA1000發(fā)送到 CAN總線(xiàn)上;2、通過(guò)溫度傳感器DS18B20傳送過(guò)來(lái)的溫度參數，修正超聲波在空氣中的傳播速度;在PCA82C250與SJA1000之間還增加了高速線(xiàn)性光耦6N137進(jìn)行隔離，有效地防止汽車(chē)在惡劣工作環(huán)境下的瞬態(tài)干擾，確保數據傳輸的準確性。因為三對測距傳感器硬件系統完全相同，此次只用一個(gè)進(jìn)行說(shuō)明，系統硬件結構如圖2所示。

圖2 輪差預警系統硬件結構圖

3.1 CAN總線(xiàn)通信模塊

　　CAN總線(xiàn)協(xié)議遵循ISO的標準模型，分為數據鏈路層和物理層。這兩層通常由CAN控制器和收發(fā)器了實(shí)現的。CAN總線(xiàn)器件可大體分為兩種類(lèi)型，其一種是帶片上CAN控制器，如87C196CA/CB、MC6837等;另一種的CAN控制器獨立需要和微處理器一起使用，如Philips SJA1000、Intel公司82526及MCP251。前者多用在許多特定情況下，使用集成器件方便用戶(hù)制作印制板，使得電路設計簡(jiǎn)化、緊湊，效率提高;后者使用上比較靈活，它可以與多種類(lèi)型的單片機、微型計算機的各類(lèi)總線(xiàn)進(jìn)行接口組合。在本系統中，結合前面選擇的微控制器綜合考慮，選Philips 半導體公司的SJAl000作為獨立CAN控制器。SJA1000的主要特性:擴展接收緩沖器（128字節FIFO）;支持CAN 2.0B協(xié)議;同時(shí)支持11位和29位標識符;位通訊速率為1Mbits/s;增強CAN模式（PeliCAN）;采用24MHz時(shí)鐘頻率;支持多種微處理器接口;可編程CAN輸出驅動(dòng)配置;工作溫度范圍為-40℃～+125℃，足以適應各種惡劣環(huán)境。CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器選用Philips公司的 PCA820250，它具有高速性（最高速度可達1Mbps）,能滿(mǎn)足自制動(dòng)等實(shí)時(shí)性要求較高的控制需要;具有抗瞬間干擾保護總線(xiàn)的能力，具有降低射頻干擾的斜率控制。此外，它可以與110個(gè)節點(diǎn)相連，能夠防止電源與地之間發(fā)生短路，并且當某個(gè)節點(diǎn)掉電時(shí)不影響總線(xiàn)。

　　CAN總線(xiàn)通信模塊主要有AT89C5l微控制器、獨立CAN通信控制器SJAlO00和CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器PCA82C250組成。為了提高系統的抗干擾能力，設計在SJAl000和CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器PCA82C250之間增加了光電隔離器6N137。當微處理器AT89C51將測距結果數據通過(guò)P0口發(fā)送到CAN總線(xiàn)控制器SJAl000，由SJAl000將并行數據轉換為串行數據從端口TX0發(fā)出，經(jīng)過(guò)光電隔離器6N137后到達CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器PCA82C250，最后將數據發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。相反，來(lái)自CAN總線(xiàn)的數據也可以經(jīng)過(guò)相應電路到達微處理器。這樣就可以實(shí)現超聲波測距傳感器與上位機的通信功能。

3.2 超聲波傳感器介紹

　　本系統采用單片機AT89C51來(lái)實(shí)現對SensComp 600系列超聲波傳感器和SensComp 6500超聲波測距模塊的控制。SensComp 600系列靜電換能器的頻率為50kHz;測量范圍為6英寸到35英尺（0.15米～10.7米）。配合SensComp的6500驅動(dòng)電路時(shí)傳感器測量范圍能從2.5厘米到15.2米。AT89C51通過(guò)P1.0引腳控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)就認為超聲波已經(jīng)返回。計數器所計的數據就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離，如圖3所示為超聲波測距的硬件示意圖。