can總線超聲波車輛檢測單元設(shè)計方案

1、封面 作者： PanHongliang 僅供個人學(xué)習(xí) 基于CAN總線的超聲波車輛檢測單元設(shè)計 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單元的組成和工作原理，詳細(xì)敘述了其設(shè)計思 想、軟硬件實現(xiàn)方法和 PSPICE仿真效果。該設(shè)計的主要功能已通過超聲波檢測模塊得以實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：CAN總線 超聲波車輛檢測 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控制系統(tǒng)已成為眾多研究機構(gòu)和廠家關(guān)注的重點。 在對城市交通信號控制系統(tǒng)進(jìn)行

2、研究的過程中， 我們發(fā)現(xiàn)對道路車輛運行情況進(jìn)行實時監(jiān) 測的車輛檢測系統(tǒng)已成為交通信號自適應(yīng)控制的主要瓶頸。當(dāng)作為系統(tǒng)輸入和反饋的檢測 系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，整個信號自適應(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單元成為擺在我們面前的一個重要課題。 將超聲波應(yīng)用于車輛檢測，具有準(zhǔn)確性高、性能可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，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)場總線之一。將 CAN 總線應(yīng)用于超聲波車輛檢測單元的設(shè)計，可以利用其高速、遠(yuǎn) 距、可靠的傳輸特性，使車輛檢測單元

3、具有更加廣泛、有效的適用性能。本文將對基于 CAN總線的超聲波車輛檢測單元的軟硬件設(shè)計予以詳細(xì)介紹。 2 系統(tǒng)概述 本車輛檢測單元是根據(jù)超聲波測距原理實現(xiàn)車輛檢測，通訊接口采用 CAN總線，實現(xiàn) 對單車道車流量的檢測。以下概述之： 2.1 超聲波測距原理 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。最常用的超聲波測距方法為渡越時間測量法。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)射脈沖時刻與第一個反射波到達(dá)時刻的時間差為 t，則探頭與 被測物體距離

4、s=vt/2 （假設(shè)發(fā)射接收探頭平行且緊靠），對距離值改變的測算可以實現(xiàn)所 需的控制目的。 超聲波的速度v與溫度相關(guān)，空氣中的聲速與溫度的關(guān)系可表示為： （1） 2.2 CAN 總線簡介 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)。其主要特點包括： 極高的總線利用率 很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離（長達(dá) 10 公里） 很高的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)

5、1Mbit/s ） 可靠的錯誤處理和檢錯機制 信息發(fā)送錯誤后可自動重發(fā) 節(jié)點在嚴(yán)重錯誤時可自動退出網(wǎng)絡(luò) 低成本 2.3 系統(tǒng)組成 超聲波發(fā)射信號由 SST89E58產(chǎn)生，信號經(jīng)過驅(qū)動后發(fā)給發(fā)射探頭；接收探頭接收到的 信號先后經(jīng)過放大、濾波、檢波、比較后送單片機外部中斷口。測溫傳感器 DS18B20 經(jīng)一 根 I/O 口線將溫度值送入單片機用以校正超聲波測距精度。測距值和報警信號分別以 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)的獨立總線控制器，目

6、前應(yīng)用十分廣泛。系統(tǒng)組成如圖一： 圖一 超聲波車輛檢測單元系統(tǒng)組成框圖 3 超聲波檢測單元設(shè)計 超聲波檢測單元的設(shè)計主要有檢測電路和嵌入式軟件組成，許多功能由軟件和硬件配合實 現(xiàn)。下面將其主要部分予以詳細(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，每測一次發(fā)射脈沖和回波的時間差，即可由公式算出距離。 脈沖串由SST89E58單片機通過定時器 T0實現(xiàn)。SST89E58內(nèi)有3個16位定時器、6個 中斷源、36KBYTE的FLASH存儲器。單片機定時器 T0初值設(shè)定為10ms中斷，在中斷

7、服務(wù) 程序中進(jìn)行軟件計數(shù)，每 10次T0中斷發(fā)射脈沖串一次，脈沖串由軟件延時得到，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) 動功率變壓器，為發(fā)射探頭提供幅度達(dá) 40V的發(fā)射信號。 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、后級放大、檢波比較等組成，超聲波 接收探頭接收到的信號是微伏級的，所以放大器必須放大 10萬倍以上，信號才能進(jìn)行檢波 判斷。為了確保信號可靠放大而不受噪聲干擾。前端放大器本設(shè)計使用了儀用放大器 AD623, AD623 適用于高性能精密設(shè)計，成本低，可單電源供電，放大倍數(shù)達(dá)

8、1000 倍。使 用AD623做前級放大可有效降低噪聲電平。 儀用放大器可以將各個頻段的信號均放大 1000 倍，因此，必須使用帶通濾波器將 40khz 左右的有用信號提取出來。本設(shè)計運用了無限增益多路反饋型濾波電路，電路如圖 圖二 無限增益多路反饋型濾波電路圖 該濾波電路的濾波參數(shù)為： （2） （3） 設(shè)計中引入了 PSPICE仿真，可以得到最佳的參數(shù)設(shè)計效果，圖三為 PSPICE仿真進(jìn)行 交流小信號頻率特性分析（ AC SWEE）P 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，再由單電源運放放大 100 倍，即可得到伏級的電信號，通過檢波比較 后輸出的方波就可以送入單片

9、機外部中斷口檢測了。 3.3 回波接收判斷軟件設(shè)計 對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簡單的 接收判斷過程。 圖四 回波接收判斷流程圖 3.4 溫度補償設(shè)計 由于超聲波在空氣中傳播的速度會受溫度的影響而發(fā)生改變，為了更精確的實現(xiàn)檢測 功能，本設(shè)計使用了單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20來進(jìn)行測溫補償。DS18B20是新一代的 溫度傳感器，測溫范圍-55 C +125C，精度達(dá)土 0.5 C ,9 12位分辨率，現(xiàn)場溫度直 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，整個產(chǎn)品體積小、價格 低、使用靈活。單總線性能優(yōu)良，主要表現(xiàn)在： 獨特的電源和信號

10、復(fù)合在一起，可單獨或復(fù)合使用 僅使用一條口線 每個芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址 簡單的網(wǎng)絡(luò)化的溫度感知 零功耗等待 DS18B20的使用十分簡便，1腳接地，3腳接電源，2腳與一個單片機I/O 口相連。編 程主要是對單總線的讀寫，下面給出一個寫程序?qū)嵗?/* 函數(shù)名：寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)子程序 說明： 單總線寫 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&=0 x01 。 write_bit_singl

11、e(temp) 。 / 向總線寫該位 delay1(5)。 / 延時60US以完成本次寫時序 4 CAN 總線接口設(shè)計 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 BasicCAN和PeliCAN兩種工作模式，內(nèi) 含擴展的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，支持診斷的糾錯、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，為總線提供差動的發(fā)送功能，為 C

12、AN控制器提 供差動的接收功能。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)動器。本設(shè)計中采用了這兩款芯片配合構(gòu)成 CAN總線應(yīng)用接口，圖五 為整個接口設(shè)計的電路原理圖。 CAN通訊程序?qū)崿F(xiàn)簡單的廣播發(fā)送點對點通訊協(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) 本文介紹了一種利用超聲波測距原理設(shè)計的超聲波車輛檢測單元，同時運用 CAN總線 技術(shù)設(shè)計了通訊接口。本設(shè)計的主要功能已通過一系列 5.08mmX 5.08mmX 20mm的超聲波檢 測模塊實現(xiàn)，可以完

13、成 3M到9M不等的檢測要求。經(jīng)過軟件和結(jié)構(gòu)設(shè)計的進(jìn)一步優(yōu)化，即 可實現(xiàn)車輛檢測。本設(shè)計可廣泛用于智能交通、工業(yè)測距、機器人控制、安防報警等各類 系統(tǒng)中，應(yīng)用前景十分廣闊。 參考文獻(xiàn)： 1 饒運濤.現(xiàn)場總線 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：電子工業(yè)出版社，1999.126-135. The Desig n of Ultras onic Vehicle Detector Based on CAN

14、Bus GUAN Bi ng, JIN Y udo ng , FANG Jic un ,XU Dalin (Jia ngsu Automati on Research In stitute, Lia nyungan gJia ngsu 222006, China) Abstract: To introduce configuration and principle of a kind of ultras onic vehicle detector based on CAN bus. Give a minute description about it s design ideas, achie

15、ve ways of software and hardware, simulation result by PSPICE. The main functions of this desig n have made a achieveme nt for ultras onic detect module. Key words: CAN bus Ultras on ic vehicle detect ； PSPICE simulate 版權(quán)申明 本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計等在網(wǎng)上搜集整 理。版權(quán)為潘宏亮個人所有 This article in eludes some parts, i

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