基于P87C591的CAN總線超聲測距系統(tǒng)設(shè)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(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?？刹捎脤Ｓ玫碾娫锤綦x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。
　?、?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。