基于PIC18F2580的CAN總線超聲波測距智能節(jié)點設(shè)計

1  引言
    移動機器人要實現(xiàn)在不確定環(huán)境下運行，必須具備自動導(dǎo)航和避障功能。在移動機器人的導(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，被廣泛用作移動機器人的測距傳感器，以實現(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
    機器人系統(tǒng)控制核心由ARM或DSP實現(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)進行管理。超聲波智能節(jié)點控制系統(tǒng)的主要功能就是判斷障礙物位置，將對移動機器人前進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)處理并進行避障動作。本文將著重介紹超聲波智能節(jié)點控制系統(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)點控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    超聲波智能節(jié)點控制系統(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)，運行速度高，功耗低，抗干擾能力強，具有片內(nèi)CAN控制器。
    作為系統(tǒng)控制核心，PIC18F2580擔(dān)負兩個主要任務(wù)。其一是作為超聲波傳感器的控制核心，在其普通I／O口上擴展了超聲波傳感器的接收和發(fā)射部分電路，利用單片機軟件功能產(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行接收。另外可以對其余口線繼續(xù)進行超聲波傳感器的擴展，實現(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控制器實現(xiàn)與CAN總線的連接。這樣的設(shè)計改變了過去在機器人控制核心上進行超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計，不但將超聲波檢測與處理的工作轉(zhuǎn)移到了單片機上，大大節(jié)省了機器人控制核心的系統(tǒng)資源，還將CAN總線智能節(jié)點的大部分控制工作也轉(zhuǎn)移到了單片機上，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，使機器人控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定地工作。

圖2  測距節(jié)點控制電路圖[!--empirenews.page--]

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，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。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產(chǎn)生的40 kHz方波放大輸出。因為在智能超聲波節(jié)點控制系統(tǒng)中單片機的工作相對較少，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，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮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。實驗證明，其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。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，會轉(zhuǎn)入外部中斷0的中斷服務(wù)程序進行處理，在移動機器人的避障工作中，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)程序中進行處理并通過CAN總線上報機器人系統(tǒng)控制核心，由機器人系統(tǒng)控制核心發(fā)出命令指導(dǎo)機器人的避障動作。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行簡單處理，上報給機器人系統(tǒng)控制核心的信息可以相對簡單，只需機器人系統(tǒng)控制核心控制機器人的實際動作，比如右轉(zhuǎn)20°，而不必機器人系統(tǒng)控制核心再次進行計算，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CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，這樣的設(shè)計可以很好地實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。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TJAl040不受過流的沖擊。[!--empirenews.page--]
    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二極管。當(dāng)CAN總線有較高的負電壓時，通過二極管的續(xù)流可起到一定的過壓保護作用?？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)點在任意時刻均可主動與其它節(jié)點通信，故各個節(jié)點通信程序大致相同。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展轉(zhuǎn)移到智能節(jié)點部分上完成，簡化了移動機器人系統(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總線的擴展也會令后續(xù)的移動機器人系統(tǒng)的進一步開發(fā)變得更為靈活。