基于PIC的CAN總線超聲波測距智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計

1 引言

移動機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在不確定環(huán)境下運(yùn)行，必須具備自動導(dǎo)航和避障功能。在移動機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)中，傳感器起著舉足輕重的作用。視覺、激光、紅外、超聲傳感器等都在實(shí)際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低，被廣泛用作移動機(jī)器人的測距傳感器，以實(shí)現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導(dǎo)航等功能。本文介紹的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計以Microchip公司的PIC18F2580控制核心。由于PIC18F2580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TJAl040。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)器人系統(tǒng)控制核心由ARM或DSP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)。

2 超聲測距原理

超聲測距的原理較簡單，一般采用渡越時間法，即：

D=ct／2 （1）

其中D為移動機(jī)器人與被測障礙物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。聲波在空氣中傳輸速率為：

c= co（2）

其中，T為絕對溫度，co =331.4m／s。在不要求測距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為c為常數(shù)。渡越時間法主要是測量超聲發(fā)射到超聲返回的時間間隔t，即“渡越時間”，然后根據(jù)式（1）計算距離。

3 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。

3.1 控制電路

超聲波傳感器的控制部分采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC18F2580。它是一個單片8位高性能微控制器，采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度高，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，具有片內(nèi)CAN控制器。

作為系統(tǒng)控制核心，PIC18F2580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PIC18F2580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。

圖2 測距節(jié)點(diǎn)控制電路圖

3.2 超聲波傳感器發(fā)射電路設(shè)計

圖3 超聲波發(fā)射部分電路圖

圖3中，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?yàn)樵谥悄艹暡ü?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CCP模塊來完成。TX1為超聲波發(fā)射頭。

3.3 超聲波傳感器接收電路設(shè)計

電路采用集成電路CX20106A。這是一款紅外線檢波接收的集成電路，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(yàn)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C11的大小，可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。R12和C11控制CX20106A內(nèi)部的放大增益，R14控制帶通濾波器的中心頻率。一般取R12=4.7Ω，C11=1μF。其余元件按圖4取值。RX1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INTO上。

圖4 超聲波接收部分電路圖

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0.4m。對于距離大于0.4 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0.4m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，比如右轉(zhuǎn)20°，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)資源去作其它更為復(fù)雜的工作。

3.4 CAN總線設(shè)計部分

TJAl040是Philips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)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。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TJAl040的自動防故障功能。STB引腳接地工作在正常模式下，引腳TXD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。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。

6N137是光電耦合器，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VDD必須完全隔離，否則光耦就失去了意義。

TJAl040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。TJAl040的CANH1和CANL1引腳各自通過一個5Ω電阻與CAN總線連接，電阻可以起到一定的限流作用，保護(hù)TJAl040不受過流的沖擊。

CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個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。兩根CAN總線接人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?？偩€兩端接的120Ω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。

4 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。

4.1 超聲波測距部分的軟件設(shè)計

當(dāng)超聲波接收器接收到回波時，硬件電路產(chǎn)生脈沖電平觸發(fā)PIC18F2580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5是這部分程序的流程。

圖5 超聲波測距軟件流程圖

4.2 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它節(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PIC18F2580的用戶手冊。

5 結(jié)束語

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Microchip公司PIC18F2580作為超聲波傳感器控制核心及CAN總線控制器。以TJAl040作為CAN總線收發(fā)器的CAN總線智能超聲波測距系統(tǒng)。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PIC18F2580一個器件完成兩種芯片的工作，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。