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文檔簡(jiǎn)介
1、基于CAN總線的超聲波車輛檢測(cè)單元設(shè)計(jì)關(guān)兵 金育東 方紀(jì)村 徐大林摘要:介紹了一種基于CAN總線進(jìn)行通訊的超聲波車輛檢測(cè)單元的組成和工作原理,詳細(xì)敘述了其設(shè)計(jì)思想、軟硬件實(shí)現(xiàn)方法和PSPICE仿真效果。該設(shè)計(jì)的主要功能已通過超聲波檢測(cè)模塊得以實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞:CAN總線 超聲波車輛檢測(cè) PSPICE仿真 1 引言 隨著智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Traffic System)在我國的逐步普及和深入,作為ITS重要組成部分的城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)已成為眾多研究機(jī)構(gòu)和廠家關(guān)注的重點(diǎn)。在對(duì)城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究的過程中,我們發(fā)現(xiàn)對(duì)道路車輛運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的車輛檢測(cè)系統(tǒng)已成為交通信
2、號(hào)自適應(yīng)控制的主要瓶頸。當(dāng)作為系統(tǒng)輸入和反饋的檢測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí),整個(gè)信號(hào)自適應(yīng)控制系統(tǒng)將陷入混亂,輕則交通擁塞、重則事故頻發(fā),因此,研發(fā)穩(wěn)定、可靠、適用面廣的車輛檢測(cè)單元成為擺在我們面前的一個(gè)重要課題。 將超聲波應(yīng)用于車輛檢測(cè),具有準(zhǔn)確性高、性能可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),在國外應(yīng)用廣泛。CAN總線 全稱 Controller Area Network ,即控制器局域網(wǎng),是當(dāng)前世界上最流行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。將CAN總線應(yīng)用于超聲波車輛檢測(cè)單元的設(shè)計(jì),可以利用其高速、遠(yuǎn)距、可靠的傳輸特性,使車輛檢測(cè)單元具有更加廣泛、有效的適用性能。本文將對(duì)基于CAN總線的超聲波車輛檢測(cè)單元的軟硬件設(shè)計(jì)予以詳細(xì)介紹。2
3、 系統(tǒng)概述 本車輛檢測(cè)單元是根據(jù)超聲波測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)車輛檢測(cè),通訊接口采用CAN總線,實(shí)現(xiàn)對(duì)單車道車流量的檢測(cè)。以下概述之:2.1 超聲波測(cè)距原理 諧振頻率高于20KHZ的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播,頻率越高,則繞射能力越弱,反射能力越強(qiáng)。最常用的超聲波測(cè)距方法為渡越時(shí)間測(cè)量法。其工作原理是:使超聲波發(fā)射探頭向介質(zhì)發(fā)射超聲脈沖,聲波遇到被測(cè)物體后必有反射波作用于接收探頭。若已知介質(zhì)中的聲速為v,發(fā)射脈沖時(shí)刻與第一個(gè)反射波到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間差為t,則探頭與被測(cè)物體距離s=vt/2(假設(shè)發(fā)射接收探頭平行且緊靠),對(duì)距離值改變的測(cè)算可以實(shí)現(xiàn)所需的控制目的。 超聲波的速度v與溫度相關(guān),空氣中的聲速與
4、溫度的關(guān)系可表示為: (1)2.2 CAN總線簡(jiǎn)介CAN ,即控制器局域網(wǎng),是目前國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。最早出現(xiàn)于二十世紀(jì)八十年代末的汽車工業(yè),由德國BOSCH公司提出,目的是為了解決汽車電子設(shè)備越來越高的通訊需求及可靠性問題,CAN總線一經(jīng)提出,就以其優(yōu)良的性能逐步取代了以往的RS-485總線,成為工業(yè)控制、汽車電子等行業(yè)的優(yōu)選技術(shù)。其主要特點(diǎn)包括:l 極高的總線利用率l 很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離(長(zhǎng)達(dá)10公里)l 很高的數(shù)據(jù)傳輸速率(高達(dá)1Mbit/s)l 可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制l 信息發(fā)送錯(cuò)誤后可自動(dòng)重發(fā)l 節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)可自動(dòng)退出網(wǎng)絡(luò)l 低成本2.3 系統(tǒng)組成超聲波發(fā)射信號(hào)由S
5、ST89E58產(chǎn)生,信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后發(fā)給發(fā)射探頭;接收探頭接收到的信號(hào)先后經(jīng)過放大、濾波、檢波、比較后送單片機(jī)外部中斷口。測(cè)溫傳感器DS18B20經(jīng)一根I/O口線將溫度值送入單片機(jī)用以校正超聲波測(cè)距精度。測(cè)距值和報(bào)警信號(hào)分別以CAN和開關(guān)量送出。CAN總線通訊部分主要由CAN總線控制器SJA1000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器TJA1040T等組成。SJA1000是飛利浦公司生產(chǎn)的符合CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立總線控制器,目前應(yīng)用十分廣泛。系統(tǒng)組成如圖一: 圖一 超聲波車輛檢測(cè)單元系統(tǒng)組成框圖3 超聲波檢測(cè)單元設(shè)計(jì) 超聲波檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)主要有檢測(cè)電路和嵌入式軟件組成,許多功能由軟件和硬件配合實(shí)現(xiàn)。下面將其主
6、要部分予以詳細(xì)介紹。3.1 超聲波發(fā)射電路及軟件模塊 超聲波發(fā)射電路為發(fā)射探頭提供一組10個(gè)左右的40kHz脈沖串,這種脈沖串大約每隔100ms左右發(fā)射一次,每測(cè)一次發(fā)射脈沖和回波的時(shí)間差,即可由公式算出距離。脈沖串由SST89E58單片機(jī)通過定時(shí)器T0實(shí)現(xiàn)。SST89E58內(nèi)有3個(gè)16位定時(shí)器、6個(gè)中斷源、36KBYTE的FLASH存儲(chǔ)器。單片機(jī)定時(shí)器T0初值設(shè)定為10ms中斷,在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行軟件計(jì)數(shù),每10次T0中斷發(fā)射脈沖串一次,脈沖串由軟件延時(shí)得到,即13us的正脈沖和12us的負(fù)脈沖,正好得到周期25us的40kHz方波。輸出的方波經(jīng)過CD4049驅(qū)動(dòng)功率變壓器,為發(fā)射探頭提供
7、幅度達(dá)40V的發(fā)射信號(hào)。3.2 超聲波接收電路及仿真 超聲波接收電路主要包括前端放大、帶通濾波、后級(jí)放大、檢波比較等組成,超聲波接收探頭接收到的信號(hào)是微伏級(jí)的,所以放大器必須放大10萬倍以上,信號(hào)才能進(jìn)行檢波判斷。為了確保信號(hào)可靠放大而不受噪聲干擾。前端放大器本設(shè)計(jì)使用了儀用放大器AD623, AD623適用于高性能精密設(shè)計(jì),成本低,可單電源供電,放大倍數(shù)達(dá)1000倍。使用AD623做前級(jí)放大可有效降低噪聲電平。 儀用放大器可以將各個(gè)頻段的信號(hào)均放大1000倍,因此,必須使用帶通濾波器將40khz左右的有用信號(hào)提取出來。本設(shè)計(jì)運(yùn)用了無限增益多路反饋型濾波電路,電路如圖二: 圖二 無限增益多路反
8、饋型濾波電路圖 該濾波電路的濾波參數(shù)為: (2) (3)設(shè)計(jì)中引入了PSPICE仿真,可以得到最佳的參數(shù)設(shè)計(jì)效果,圖三為PSPICE仿真進(jìn)行交流小信號(hào)頻率特性分析(AC SWEEP)的結(jié)果: 圖三 無限增益多路反饋型濾波電路仿真圖 在帶通濾波后,再由單電源運(yùn)放放大100倍,即可得到伏級(jí)的電信號(hào),通過檢波比較后輸出的方波就可以送入單片機(jī)外部中斷口檢測(cè)了。3.3 回波接收判斷軟件設(shè)計(jì) 對(duì)回波的接收判斷主要考慮基準(zhǔn)初值的自適應(yīng)問題,圖四的流程圖給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的接收判斷過程。 圖四 回波接收判斷流程圖3.4 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì) 由于超聲波在空氣中傳播的速度會(huì)受溫度的影響而發(fā)生改變,為了更精確的實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能,
9、本設(shè)計(jì)使用了單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20來進(jìn)行測(cè)溫補(bǔ)償。DS18B20是新一代的溫度傳感器,測(cè)溫范圍-55+125,精度達(dá)0.5,912位分辨率,現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性,整個(gè)產(chǎn)品體積小、價(jià)格低、使用靈活。單總線性能優(yōu)良,主要表現(xiàn)在:l 獨(dú)特的電源和信號(hào)復(fù)合在一起,可單獨(dú)或復(fù)合使用 l 僅使用一條口線 l 每個(gè)芯片唯一編碼,支持聯(lián)網(wǎng)尋址 l 簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)化的溫度感知l 零功耗等待DS18B20的使用十分簡(jiǎn)便,1腳接地,3腳接電源,2腳與一個(gè)單片機(jī)I/O口相連。編程主要是對(duì)單總線的讀寫,下面給出一個(gè)寫程序?qū)嵗?*函數(shù)名:寫一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)子程序說明: 單
10、總線寫8位字節(jié)數(shù)據(jù)輸入: 要寫入的數(shù)據(jù)*/void write_byte(uchar value_w)uchar i; uchar temp;for(i=0;ii; /移位操作,將本次要寫的位移到最低位temp&=0x01;write_bit_single(temp);/向總線寫該位delay1(5); /延時(shí)60US以完成本次寫時(shí)序4 CAN總線接口設(shè)計(jì) CAN總線網(wǎng)絡(luò)接口使用了philips公司的總線控制器SJA1000和總線收發(fā)器TJA1040T。SJA1000是一種應(yīng)用于汽車和一般工業(yè)的具有先進(jìn)特性的CAN控制器,可替代PCA82C200,支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議,具有B
11、asicCAN和PeliCAN兩種工作模式,內(nèi)含擴(kuò)展的發(fā)送和接收緩沖區(qū),支持診斷的糾錯(cuò)、維護(hù)功能。TJA1040T是CAN總線控制器和物理總線之間的接口,速度可達(dá)1Mbits/s,為總線提供差動(dòng)的發(fā)送功能,為CAN控制器提供差動(dòng)的接收功能。TJA1040T具有優(yōu)良的EMC特性,在不上電情況下呈現(xiàn)無源特性,是一款先進(jìn)的CAN總線驅(qū)動(dòng)器。本設(shè)計(jì)中采用了這兩款芯片配合構(gòu)成CAN總線應(yīng)用接口,圖五為整個(gè)接口設(shè)計(jì)的電路原理圖。CAN通訊程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的廣播發(fā)送點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊協(xié)議。CAN總線通訊程序主要由SJA1000初始化程序,發(fā)送數(shù)據(jù)子程序,接收數(shù)據(jù)子程序等組成。 圖五 CAN 總線接口電原理圖5 總結(jié) 本
12、文介紹了一種利用超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)的超聲波車輛檢測(cè)單元,同時(shí)運(yùn)用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)了通訊接口。本設(shè)計(jì)的主要功能已通過一系列5.08mm5.08mm20mm的超聲波檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn),可以完成3米到9米不等的檢測(cè)要求。經(jīng)過軟件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化,即可實(shí)現(xiàn)車輛檢測(cè)。本設(shè)計(jì)可廣泛用于智能交通、工業(yè)測(cè)距、機(jī)器人控制、安防報(bào)警等各類系統(tǒng)中,應(yīng)用前景十分廣闊。參考文獻(xiàn):1 饒運(yùn)濤.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.39-46.2 張培仁.基于C語言編程MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,2003.268-277.3 丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用M.北京
13、:電子工業(yè)出版社,1999.126-135. The Design of Ultrasonic Vehicle DetectorBased on CAN BusGUAN Bing,JIN Yudong , FANG Jicun ,XU Dalin (Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang Jiangsu 222006,China)Abstract: To introduce configuration and principle of a kind of ultrasonic vehicle detector based on CAN bus. Give a minute description about its design ideas, achieve
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