基于P87C591的CAN总线超声测距系统设计方案

引言

　　移动机器人的安全避障问题一直是该项研究的基本问题，目前解决此问题的基本方法是采用多路超声波传感器通过适当的安装角度达到获取多路测量信息的目的。对于多路超声波传感器的扩展，一般是在机器人系统控制核心之上进行。这样做的缺点在于，超声波传感器的扩展占用了大量的系统硬件资源，另外大量的测量信息的处理也浪费了系统软件资源。针对这一问题，笔者采用CAN总线扩展多路超声波传感器的作法。这种作法有几个优点： 首先，CAN总线具有良好的传输防错设计，保证了数据通信的可靠性；其次，多路超声波传感器的设计可由CAN总线智能节点实现，大大节省了系统硬件资源和软件资源；第三，由于CAN总线对于网络内的节点数在理论上不受限制，所以随着对移动机器人研究的不断深入，对于整个机器人系统的总体设计可以灵活地在CAN总线上进一步开发。本文介绍的CAN总线智能节点的设计以Philips公司的P87C591作为超声波传感器的控制核心。由于P87C591具有片上自带的CAN控制器并且为CAN的应用提供了许多专用的硬件功能，因此又将它作为了系统的CAN总线控制器，大大节省了主控系统的资源。CAN总线的收发器采用TJA1040。系统总体结构框图如图1所示。

　　机器人系统控制核心由ARM实现。其主要功能是处理需要复杂计算的信息，将经过处理的信息再送回CAN总线，并对整个网络进行管理。超声波智能节点控制系统的主要功能就是判断障碍物位置，将对移动机器人前进方向有阻碍的障碍物信息通过CAN总线传回主控系统，由主控系统作出相应处理并进行避障动作。本文将着重介绍超声波智能节点控制系统。

图1  系统总体结构框图

1  超声波智能节点控制系统的硬件设计

　　超声波智能节点控制系统的硬件电路如图2所示。P87C591是51系列单片机，对于大部分熟悉51单片机的使用者来说它的使用方法十分简单。下面分别介绍各个组成部分。

图2  超声波智能节点控制系统

1.1  控制部分

　　超声波传感器的控制部分采用Philips半导体公司生产的P87C591。它是一个单片8位高性能微控制器，具有片内CAN控制器，是从80C51微控制器家族派生出来的。它采用了强大的80C51指令集，并成功地包括了Philips半导体公司SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能；全静态内核提供了扩展的节电方式；振荡器可停止和恢复而不会丢失数据；改进的1∶1内部时钟预分频器在12 MHz外部时钟速率时，实现500 ns指令周期；内部具有的16 KB内部程序存储器完全满足本系统要求。

　　作为系统控制核心，P87C591担负两个主要任务。其一是作为超声波传感器的控制核心，在其普通I/O口上扩展了超声波传感器的接收和发射部分电路，利用单片机软件功能产生40 kHz信号并通过驱动放大发射出去，再利用接收部分电路进行接收。另外可以对其余口线继续进行超声波传感器的扩展，实现多个超声波传感器系统的设计。其二是利用P87C591的片内CAN控制器实现与CAN总线的连接。这样的设计改变了过去在机器人控制核心上进行超声波测距系统的设计，不但将超声波检测与处理的工作转移到了单片机上，大大节省了机器人控制核心的系统资源，还将CAN总线智能节点的大部分控制工作也转移到了单片机上，节省了硬件资源，同时CAN总线的采用大大提升了系统的抗干扰能力，使机器人控制系统更加稳定地工作。

1.2  超声波传感器发射部分

　　超声波传感器发射部分硬件电路如图3所示。

图3  超声波传感器发射部分

　　LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。它是一个三级放大电路。

　　本部分硬件电路相对简单，主要就是利用LM386的驱动放大功能将单片机产生的40 kHz方波放大输出。因为在智能超声波节点控制系统中单片机的工作相对较少，为节省硬件，不妨将40 kHz方波的产生这部分工作交由单片机的定时器来完成，这样只需十分简单的硬件电路即可完成。UST1为超声波发射头。

1.3  超声波传感器接收部分

　　超声波传感器接收部分的硬件电路如图4所示。

图4  超声波传感器接收部分

　　电路采用集成电路CX20106A。这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C1的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。R1和C1控制CX20106A 内部的放大增益，R2控制带通滤波器的中心频率。一般取R1=4.7 Ω，C1=1 μF。其余元件按图4取值。US_R1为超声波接收头，当收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断INT0上。

　　当超声波接收头接收到40 kHz方波信号时，将会将此信号通过CX20106A驱动放大送入单片机的外部中断0口。单片机在得到外部中断0的中断请求后，会转入外部中断0的中断服务程序进行处理，在移动机器人的避障工作中，可以在中断服务程序设定需要单片机处理的最短距离，比如0.5 m。对于距离大于0.5 m的障碍物，可以不做处理直接跳出中断服务程序；对于距离小于或等于0.5 m的障碍物信息，则在中断服务程序中进行处理并通过CAN总线上报机器人系统控制核心，由机器人系统控制核心发出命令指导机器人的避障动作。对于多超声波传感器系统，每一个超声波传感器在判断到对机器人行动有障碍物时可分别在其中断服务程序中对障碍物信息进行简单处理，上报给机器人系统控制核心的信息可以相对简单，只需机器人系统控制核心控制机器人的实际动作，比如左转30°，而不必机器人系统控制核心再次进行计算，这样
会节省大量系统资源去作其他更为复杂的工作。

1.4  CAN总线设计部分

　　CAN总线设计部分的硬件电路如图5所示。

　　TJA1040是Philips半导体公司生产的完全可替代PCA82C250的高速CAN总线收发器。该器件提供了CAN协议控制器和物理总线之间的接口，以及对CAN总线的差动发送和接收功能。TJA1040具有优秀的EMC性能，而且在不上电状态下有理想的无源性能；它还提供低功耗管理，支持远程唤醒。值得一提的是TJA1040的自动防故障功能，在引脚TXD上提供了一个向VCC的上拉，使引脚TXD在不使用时保持隐性电平。引脚ＳＴＢ提供了一个向ＶCC的上拉，当不使用引脚ＳＴＢ时，收发器进入待机模式。如果VCC掉电，引脚ＴＸＤ、ＳＴＢ和ＲＸＤ就会变成悬浮状态，防止通过这些引脚产生反向电流。

　　这部分电路硬件相对简单，但对于CAN总线的抗干扰能力需特别注意。本设计主要突出以下几点：

　　图中6N137是光电耦合器，P87C591的RXDC脚（即P1.0口）作为CAN接收器的输入脚，TXDC口（即P1.1口）作为CAN发送器的输出脚，都通过6N137连接至CAN发送器TJA1040。采用光电耦合器6N137的目的是增强CAN总线节点的抗干扰能力，这样的设计可以很好地实现总线上各CAN节点间的电气隔离。但要注意的是，光耦部分电路所采用的两个电源VCC和V必须完全隔离，否则光耦就失去了意义。可采用专用的电源隔离模块来实现。

图5  CAN总线设计部分

　　① TJA1040作为CAN总线收发器，与CAN总线的接口部分也采取了抗干扰措施。TJA1040的CAN_H和CAN_L引脚各自通过一个5 Ω电阻与CAN总线连接，电阻可以起到一定的限流作用，保护TJA1040不受过流的冲击。
　　② CAN_H和CAN_L与地之间并联了2个30 pF的电容，可以过滤掉总线上的高频干扰和一定的电磁辐射。
　　③ 2根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管。当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管的续流可起到一定的过压保护作用。
　　④ 总线两端接的120 Ω电阻起匹配总线阻抗的作用，忽略掉它会使数据通信的抗干扰性能及可靠性大大降低甚至无法通信。

1.5  其他

　　除以上提到的几个主要部分之外，还有单片机的复位电路、外部时钟电路和电源等几个部分，本文只提供了一种最简单方案。在实际应用中，对于较为复杂的现场环境可以相应添加看门狗复位电路和独立电源设计等复杂电路。值得注意的是，对于复位电路和电源电路应该给予足够的重视。

2  超声波智能节点控制系统的软件编写

　　软件的编写工作主要有两个部分：超声波测距部分和CAN总线的通信部分。

2.1  超声波测距部分的软件设计

　　超声波发射部分的软件设计相对简单。在软件编写工作中，需要将超声波持续发射一段时间以便被接收器准确接收。以下程序可作参考：

START:MOV TH0, #00H;将定时器初值设为0，产生一个方波即产生一次中断
　　　　MOV TL0, #00H
　　　　MOV 10H, #4D；将10H单元做一个计数器实现200 ms定时
　　　　SETB TR0;启动定时器T0
　　FS:CPL P2.0;P2.0口产生方波，对于6 MHz晶振频率近似为40 kHz
REPEAT：MOV R0，#12
　　　　DJNZ R0，REPEAT
　　　　DJNZ 10H,FS
　　　　RET
　　　　……
　　　　END

图6  超声波测距部分程序流程

　　当超声波接收器接收到回波时，硬件电路产生低电平触发P87C591的外部中断0口。软件编写的主要思想是，在中断服务程序中由寄存器预先设定一个数值，这个数值是机器人避障的最短距离。从超声波发射头发射方波开始，到超声波接收头接收到回波为止，把这段时间换算成为距离，与上述最短距离相比较。如大于最短距离，则不作处理，跳出中断服务程序；如等于或小于最短距离，则执行相应动作。图6是这部分程序的流程。

2.2  CAN总线通信部分的软件编写

　　这部分软件编写主要由以下几部分组成：初始化、接收处理、发送处理、中断处理及错误处理函数。由于系统中任意节点在任意时刻均可主动与其他节点通信，故各个
节点通信程序大致相同。具体程序的编写可参考P87C591的用户手册。

结语

　　本文论述了以CAN总线扩展多路超声波传感器的基本思想，介绍了一种以Philips公司P87C591作为超声波传感器控制核心及CAN总线控制器和以TJA1040作为CAN总线收发器的CAN总线智能超声波测距系统。与以往移动机器人超声波传感器测距系统相比，这个设计增加了CAN总线部分的设计，将多路超声波传感器的扩展转移到智能节点部分上完成，简化了移动机器人系统控制核心的工作；采取了比较简单的硬件设计，主要是将超声波传感器的控制核心和CAN总线控制器集中到一起，采用P87C591一个器件完成两种芯片的工作，大大节省硬件。另外，CAN总线的扩展也会令后续的移动机器人系统的进一步开发变得更为灵活。实践证明这个设计可行，只是对于实际工作中不同应用场合的有些电路（比如复位电路、电源电路等外围电路）在设计细节上还有待进一步细化。另外，软件编写方面还应特别注意多超声波传感器的抗干扰问题。