介紹一種以Philips公司的P87C591作為超聲波傳感器控制核心及CAN總線控制器，以TJA1040作為CAN總線收發(fā)器的CAN總線智能超聲波測距系統(tǒng)；詳細(xì)介紹其硬件電路構(gòu)成、工作原理及軟件設(shè)計思想。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞  超聲波測距  CAN總線  P87C591  TJA1040  LM386  CX20106A

引言

　　移動機(jī)器人的安全避障問題一直是該項研究的基本問題，目前解決此問題的基本方法是采用多路超聲波傳感器通過適當(dāng)?shù)陌惭b角度達(dá)到獲取多路測量信息的目的。對于多路超聲波傳感器的擴(kuò)展，一般是在機(jī)器人系統(tǒng)控制核心之上進(jìn)行。這樣做的缺點(diǎn)在于，超聲波傳感器的擴(kuò)展占用了大量的系統(tǒng)硬件資源，另外大量的測量信息的處理也浪費(fèi)了系統(tǒng)軟件資源。針對這一問題，筆者采用CAN總線擴(kuò)展多路超聲波傳感器的作法。這種作法有幾個優(yōu)點(diǎn)： 首先，CAN總線具有良好的傳輸防錯設(shè)計，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性；其次，多路超聲波傳感器的設(shè)計可由CAN總線智能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省了系統(tǒng)硬件資源和軟件資源；第三，由于CAN總線對于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)在理論上不受限制，所以隨著對移動機(jī)器人研究的不斷深入，對于整個機(jī)器人系統(tǒng)的總體設(shè)計可以靈活地在CAN總線上進(jìn)一步開發(fā)。本文介紹的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計以Philips公司的P87C591作為超聲波傳感器的控制核心。由于P87C591具有片上自帶的CAN控制器并且為CAN的應(yīng)用提供了許多專用的硬件功能，因此又將它作為了系統(tǒng)的CAN總線控制器，大大節(jié)省了主控系統(tǒng)的資源。CAN總線的收發(fā)器采用TJA1040。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　機(jī)器人系統(tǒng)控制核心由ARM實(shí)現(xiàn)。其主要功能是處理需要復(fù)雜計算的信息，將經(jīng)過處理的信息再送回CAN總線，并對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的主要功能就是判斷障礙物位置，將對移動機(jī)器人前進(jìn)方向有阻礙的障礙物信息通過CAN總線傳回主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)作出相應(yīng)處理并進(jìn)行避障動作。本文將著重介紹超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)。

圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1  超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。P87C591是51系列單片機(jī)，對于大部分熟悉51單片機(jī)的使用者來說它的使用方法十分簡單。下面分別介紹各個組成部分。

圖2  超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)

1.1  控制部分

　　超聲波傳感器的控制部分采用Philips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的P87C591。它是一個單片8位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器，是從80C51微控制器家族派生出來的。它采用了強(qiáng)大的80C51指令集，并成功地包括了Philips半導(dǎo)體公司SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能；全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴(kuò)展的節(jié)電方式；振蕩器可停止和恢復(fù)而不會丟失數(shù)據(jù)；改進(jìn)的1∶1內(nèi)部時鐘預(yù)分頻器在12 MHz外部時鐘速率時，實(shí)現(xiàn)500 ns指令周期；內(nèi)部具有的16 KB內(nèi)部程序存儲器完全滿足本系統(tǒng)要求。

　　作為系統(tǒng)控制核心，P87C591擔(dān)負(fù)兩個主要任務(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(kuò)展了超聲波傳感器的接收和發(fā)射部分電路，利用單片機(jī)軟件功能產(chǎn)生40 kHz信號并通過驅(qū)動放大發(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繼續(xù)進(jìn)行超聲波傳感器的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多個超聲波傳感器系統(tǒng)的設(shè)計。其二是利用P87C591的片內(nèi)CAN控制器實(shí)現(xiàn)與CAN總線的連接。這樣的設(shè)計改變了過去在機(jī)器人控制核心上進(jìn)行超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計，不但將超聲波檢測與處理的工作轉(zhuǎn)移到了單片機(jī)上，大大節(jié)省了機(jī)器人控制核心的系統(tǒng)資源，還將CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的大部分控制工作也轉(zhuǎn)移到了單片機(jī)上，節(jié)省了硬件資源，同時CAN總線的采用大大提升了系統(tǒng)的抗干擾能力，使機(jī)器人控制系統(tǒng)更加穩(wěn)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。

圖3  超聲波傳感器發(fā)射部分

　　LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)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(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。它是一個三級放大電路。

　　本部分硬件電路相對簡單，主要就是利用LM386的驅(qū)動放大功能將單片機(jī)產(chǎn)生的40 kHz方波放大輸出。因為在智能超聲波節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)中單片機(jī)的工作相對較少，為節(jié)省硬件，不妨將40 kHz方波的產(chǎn)生這部分工作交由單片機(jī)的定時器來完成，這樣只需十分簡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。這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)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(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)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(nèi)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(dāng)收到超聲波時產(chǎn)生一個下降沿，接到單片機(jī)的外部中斷INT0上。

　　當(dāng)超聲波接收頭接收到40 kHz方波信號時，將會將此信號通過CX20106A驅(qū)動放大送入單片機(jī)的外部中斷0口。單片機(jī)在得到外部中斷0的中斷請求后，會轉(zhuǎn)入外部中斷0的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理，在移動機(jī)器人的避障工作中，可以在中斷服務(wù)程序設(shè)定需要單片機(jī)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CAN總線上報機(jī)器人系統(tǒng)控制核心，由機(jī)器人系統(tǒng)控制核心發(fā)出命令指導(dǎo)機(jī)器人的避障動作。對于多超聲波傳感器系統(tǒng)，每一個超聲波傳感器在判斷到對機(jī)器人行動有障礙物時可分別在其中斷服務(wù)程序中對障礙物信息進(jìn)行簡單處理，上報給機(jī)器人系統(tǒng)控制核心的信息可以相對簡單，只需機(jī)器人系統(tǒng)控制核心控制機(jī)器人的實(shí)際動作，比如左轉(zhuǎn)30°，而不必機(jī)器人系統(tǒng)控制核心再次進(jìn)行計算，這樣
會節(jié)省大量系統(tǒng)資源去作其他更為復(fù)雜的工作。

1.4  CAN總線設(shè)計部分

　　CAN總線設(shè)計部分的硬件電路如圖5所示。

　　TJA1040是Philips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的完全可替代PCA82C250的高速CAN總線收發(fā)器。該器件提供了CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，以及對CAN總線的差動發(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)下有理想的無源性能；它還提供低功耗管理，支持遠(yuǎn)程喚醒。值得一提的是TJA1040的自動防故障功能，在引腳TXD上提供了一個向VCC的上拉，使引腳TXD在不使用時保持隱性電平。引腳ＳＴＢ提供了一個向ＶCC的上拉，當(dāng)不使用引腳ＳＴＢ時，收發(fā)器進(jìn)入待機(jī)模式。如果VCC掉電，引腳ＴＸＤ、ＳＴＢ和ＲＸＤ就會變成懸浮狀態(tài)，防止通過這些引腳產(chǎn)生反向電流。

　　這部分電路硬件相對簡單，但對于CAN總線的抗干擾能力需特別注意。本設(shè)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6N137連接至CAN發(fā)送器TJA1040。采用光電耦合器6N137的目的是增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，這樣的設(shè)計可以很好地實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)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電源VCC和V必須完全隔離，否則光耦就失去了意義。可采用專用的電源隔離模塊來實(shí)現(xiàn)。

圖5  CAN總線設(shè)計部分

　?、?TJA1040作為CAN總線收發(fā)器，與CAN總線的接口部分也采取了抗干擾措施。TJA1040的CAN_H和CAN_L引腳各自通過一個5 Ω電阻與CAN總線連接，電阻可以起到一定的限流作用，保護(hù)TJA1040不受過流的沖擊。
　　② CAN_H和CAN_L與地之間并聯(lián)了2個30 pF的電容，可以過濾掉總線上的高頻干擾和一定的電磁輻射。
　?、?2根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個保護(hù)二極管。當(dāng)CAN總線有較高的負(fù)電壓時，通過二極管的續(xù)流可起到一定的過壓保護(hù)作用。
　?、?總線兩端接的120 Ω電阻起匹配總線阻抗的作用，忽略掉它會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性能及可靠性大大降低甚至無法通信。

1.5  其他

　　除以上提到的幾個主要部分之外，還有單片機(jī)的復(fù)位電路、外部時鐘電路和電源等幾個部分，本文只提供了一種最簡單方案。在實(shí)際應(yīng)用中，對于較為復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境可以相應(yīng)添加看門狗復(fù)位電路和獨(dú)立電源設(shè)計等復(fù)雜電路。值得注意的是，對于復(fù)位電路和電源電路應(yīng)該給予足夠的重視。

2  超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的軟件編寫

　　軟件的編寫工作主要有兩個部分：超聲波測距部分和CAN總線的通信部分。

2.1  超聲波測距部分的軟件設(shè)計

　　超聲波發(fā)射部分的軟件設(shè)計相對簡單。在軟件編寫工作中，需要將超聲波持續(xù)發(fā)射一段時間以便被接收器準(zhǔn)確接收。以下程序可作參考：

START:MOV TH0, #00H;將定時器初值設(shè)為0，產(chǎn)生一個方波即產(chǎn)生一次中斷
　　　　MOV TL0, #00H
　　　　MOV 10H, #4D；將10H單元做一個計數(shù)器實(shí)現(xiàn)200 ms定時
　　　　SETB TR0;啟動定時器T0
　　FS:CPL P2.0;P2.0口產(chǎn)生方波，對于6 MHz晶振頻率近似為40 kHz
REPEAT：MOV R0，#12
　　　　DJNZ R0，REPEAT
　　　　DJNZ 10H,FS
　　　　RET
　　　　……
　　　　END

圖6  超聲波測距部分程序流程

　　當(dāng)超聲波接收器接收到回波時，硬件電路產(chǎn)生低電平觸發(fā)P87C591的外部中斷0口。軟件編寫的主要思想是，在中斷服務(wù)程序中由寄存器預(yù)先設(shè)定一個數(shù)值，這個數(shù)值是機(jī)器人避障的最短距離。從超聲波發(fā)射頭發(fā)射方波開始，到超聲波接收頭接收到回波為止，把這段時間換算成為距離，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(zhí)行相應(yīng)動作。圖6是這部分程序的流程。

2.2  CAN總線通信部分的軟件編寫

　　這部分軟件編寫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(shù)。由于系統(tǒng)中任意節(jié)點(diǎn)在任意時刻均可主動與其他節(jié)點(diǎn)通信，故各個
節(jié)點(diǎn)通信程序大致相同。具體程序的編寫可參考P87C591的用戶手冊。

結(jié)語

　　本文論述了以CAN總線擴(kuò)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總線控制器和以TJA1040作為CAN總線收發(fā)器的CAN總線智能超聲波測距系統(tǒng)。與以往移動機(jī)器人超聲波傳感器測距系統(tǒng)相比，這個設(shè)計增加了CAN總線部分的設(shè)計，將多路超聲波傳感器的擴(kuò)展轉(zhuǎn)移到智能節(jié)點(diǎn)部分上完成，簡化了移動機(jī)器人系統(tǒng)控制核心的工作；采取了比較簡單的硬件設(shè)計，主要是將超聲波傳感器的控制核心和CAN總線控制器集中到一起，采用P87C591一個器件完成兩種芯片的工作，大大節(jié)省硬件。另外，CAN總線的擴(kuò)展也會令后續(xù)的移動機(jī)器人系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)變得更為靈活。實(shí)踐證明這個設(shè)計可行，只是對于實(shí)際工作中不同應(yīng)用場合的有些電路（比如復(fù)位電路、電源電路等外圍電路）在設(shè)計細(xì)節(jié)上還有待進(jìn)一步細(xì)化。另外，軟件編寫方面還應(yīng)特別注意多超聲波傳感器的抗干擾問題。