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1、江西理工大学 文档题目基于CAN总线通信的小车超声波测距仪设计与制作专 业 自 动 化 092作者姓名 邓 同 龙导师姓名 刘 晖、 张 振 利基于CAN总线通信的小车超声波测距仪设计与制作目录摘 要2关键词31.超声波测距的工作原理与方式31.1工作原理31.2工作方式41.3超声波传感器的硬件设计51.3.1发射电路分析51.3.2接收电路分析62.CAN 总线通信系统设计82.1超声波测距仪通信系统的总体设计82.2超声波测距仪通信系统节点的硬件设计82.3 超声波测距仪通信系统的软件设计102.3.1.CAN节点初始化102.3.2信号的发送112.3.3.信号的接收123.总结134
2、.参考文献15摘 要随着汽车网络技术和电子信息技术的发展，CAN总线作为一种局域网控制技术，在汽车上的应用越来越广泛。它不但大大简化了线束，而且为电控单元之间得信息共享提供了方便得平台。本文在研究了CAN总线得原理和节点的设计后，以实验室的小车作为研究对象，为其设计了超声波测距仪作为避障单元：并将CAN总线应用在小车上，建立了测距系统的局域网，制作了一套相应可靠的运行协议，实现了节点间的通信。通过研究，证明了CAN总线在小车引导车上有着很强的实用性和适用性，为CAN总线在其它领域的应用做出了一些有益的探索。关键词CAN总线 控制 超声波 测距仪 通信1.超声波测距的工作原理与方式1.1工作原理
3、超声波的发展历史大概有100年左右。由于它具有许多独特的优点，因此在其发现不久就得到了许多应用，并迅速地发展成为一门新兴的边缘学科一超声学首先，在理想的条件下，即忽略声速随温度、空气密度、湿度等的变化，我们再来拷问关于超声波测距的原理。传统的讲，超声波是指频率大于20KHz得机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能得装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波得双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换成超声波，发射超声波
4、；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。1.2工作方式经过图书馆查资料得知，利用超声波测距主要有三种测距方法：1) 声波幅值检测法，声波幅值检测法易受反射波得影响；2) 相位检测法，相位检测法虽然精度高，但检测范围有限； 3)渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。渡越时间是检测从发射传感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间。根据高中所学的声音得反射定律所扩展得方法，采用渡越时间法，先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历得时间t，再乘以超声波的传播速度c就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。发射器向被测对象发送超声波, 由接收
5、器接收并计算出第一个发送和接收得时间t , 由高中知识可以知道，如果忽略发射器与接收器之间的距离, 则由式s= ct / 2 求出所测距离,可以 式中c为超声波在空气中的速度,c=340m/s。在本设计中由于无特殊精度要求, 忽略声速随温度、空气密度、湿度等得变化。障碍物体接受信号发送信号 s= ct / 2 图1 用渡越时间法测距1.3超声波传感器的硬件设计1.3.1发射电路分析超声波得发射电路主要由驱动74LS04及超声波发生器组成，如图2所示。超声波的发射传感器采用压电陶瓷传感器UCM40，由于频率为40kHz左右得超声波在空气中传播得效率最佳，因此通过执行程序由单片机P10产生40kH
6、z得振荡信号，经74LS04放大74LS04在电路中不但有驱动作用同时增加了超声波传感器的阻尼效果缩短了其自由振荡时间以便其迅速起振)，驱动超声波发生传感器UCM40T发出40kHz的超声波脉冲。1.3.2接收电路分析超声波得接收传感器采用与发射传感器配对的UCM40R，将由发射传感器发出的经反射后得超声波脉冲转变为微弱得交流信号，送红外检波接收集成模块CX20106A的1脚。CX20106A是日本索尼公司产品，单列直插封装、内置放大限幅、带通滤波、检波、积分、整形模块，具有选频功能，CX20106A 内部设计载波频率f=38kHz，当其输入信号大于25mV时，输出端7脚由高电平跳变为低电平，
7、将其作为单片机的扫描接收信号，送至单片机P13口，以启动距离计算子程序。如图所示。2.CAN 总线通信系统设计2.1超声波测距仪通信系统的总体设计本系统采用CAN 总线通信方式, 把超声波测距仪所测信息通过节点发送到CAN 总线上, 通过CAN 总线传输到小车中央控制器, 根据所得信息控制小车的转向系统、倒车系统, 从而使其自动避开障碍物, 在汽车上得实际应用诸如倒车雷达等。本通信系统采用总线式网络拓扑结构形式, 结构简单, 实际应用成本低, 经实车使用可靠性好, 系统的网络连接框图如图所示。小车主控制器CANBUS节点收发器CANBUS节点超声波测距仪图 通信系统的网络连接2.2超声波测距仪
8、通信系统节点的硬件设计经过百度得知，市场上目前常见的CAN 总线产品根据控制器芯片的功能来分有两种: 一种是集成到微控制器中的控制器芯片, 如菲利普斯的P8XC59X 系列芯片,摩托罗拉的68HC912 系列以及MC6837 系列芯片；另一种是独立的CAN 控制器芯片, 如菲利普斯的SJA1000。 本文用的是P87C591, 它是一个8 位高性能单片机。 它具有片内CAN 控制器, 是80C51 单片机家族中非常优秀的一员。 它采用了强大的80C51 指令集, 并成功地包含了Philips 公司CAN 控制器SJA1000 的强大的功能。 CAN总线节点通讯相关的硬件电路原理图有两种如下：原
9、理图12.3 超声波测距仪通信系统的软件设计CAN 总线节点的软件设计主要包括三大部分:CAN 节点初始化、报文发送和报文接收。 下面仅就这3 部分程序的设计作一个简单描述。2.3.1.CAN节点初始化在上电或硬件复位后, CAN 控制器进入复位模式, 初始化的处理应包括下面几项: 操作模式、验收滤波器、总线定时、T XDC 输出管脚配置、中断。 相应的流程图如图所示。2.3.2信号的发送CAN控制器的发送中断被禁止用于该类型发送的控制。当P87C591发送数据时，发送缓冲区对写操作锁定。这样CPU必须检查状态寄存器的“发送缓冲区状态”标志(TBs)，以确定是否可以将一个新信息放入发送缓冲区。
10、发送缓冲区被锁定：周期性查询状态寄存器，CPU一直等待发送缓冲区被释放。发送缓冲区被释放：CPU将新信息写入发送缓冲区并置位命令寄存器的“发送请求”标志(1间，该标志导致发送的启动。当发送完成状态位置位时，标志CAN信息已经成功发送。 “发送一个信息”的流程图。信息的发送由CAN 控制器根据CA N 协议规范自动完成。 首先, CPU 必须将发送信息传送到发送缓冲区中并置位命令寄存器中的 发送请求标志。发送处理可通过中断请求或查询状态标志进行控制。2.3.3.信号的接收CAN控制器的接收中断禁止用于此接收控制的类型。CPU以一定周期读取CAN控制器的状态寄存器，以检查是否接收缓冲区状态标志(R
11、BS)指示至少接收到一个信息。报文的接收有两种方式 : 查询接收和中断接收。 下面对两种方式作简单描述。 查询接收: CPU 以一定周期读取CAN 控制器的状态寄存器, 以检查是否接收缓冲区状态标志( RBS) 指示至少接收到一个信息。中断接收: 如果P87C591 已接收一个信息, 且该信息通过验收滤波器放入接收FIFO, 则产生一个接收中断。 3.总结根据CAN总线控制超声波测距仪的硬件电路设计：主控机和节点间用CAN总线通信，主控机向各个节点发送测距命令，当节点接收到测距命令后，即开始测距并把距离信息通过CAN总线发送给主控机。主控机通过标识符来区别哪个节点发送的信息。根据上述描述，主控
12、机以发送程序为主，节点以接收程序为主，两者通过CAN总线联系，程序流程图如下。开始初始化主控机给节点n发送测距命令延时等待接收节点n返回信息是否收到信息 N Y主控机根据节点11发送的距离信息制定避障策略 主程序流程图本文正是以CAN总线技术及其通讯协议为基础，研究如何将智能车电控单元挂接在CAN总线上组成网络，以实现各个电子控制器之间的通讯。深入研究了国内外汽车局域网CAN总线的发展现状，通过对CAN总线的原理和应用进行研究、吸收，将其应用到智能车避障测距系统中，并制定了一套相应的可靠运行的协议。随着现代通信行业的发展，无线通信技术越来越多地应用在了过去是有线通信统治的领域。CAN总线这种有
13、线通信方式也将与无线技术相结合，开拓其新的应用天地。蓝牙技术的发展已将两大领域连接在了一起：电话和PC，现在人们开始将目光转向CAN。4.参考文献1刘晖 北京航空大学 嵌入式接口技术2苏平 合肥工业大学 智能车上CAN总线控制超声波测距仪设计3李文言、苏平 合肥工业大学 基于CAN总线通信的车用超声波测距仪设计4 周立功 增强型80C51 单片机速成与实战 北京航空航天大学出版社20035浙江万里学院 超声波测距仪在汽车安全系统中的应用【作者感悟：首先我要声明，我花了三天课余时间来写这个文档，我觉得这三天让我学到了实实在在的CANBUS，以前课堂上很难听的懂，虽然有一些是摘录的，但现在写完后，最起码认识了CANBUS，知道它有什么用处，大概能怎么用，还有就是更加熟练了写作文档规范】