基于PIC的CAN总线超声波测距智能节点设计

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                    1? 引言
　　移动机器人要实现在不确定环境下运行，必须具备自动导航和避障功能。在移动机器人的导航系统中，传感器起着举足轻重的作用。视觉、激光、红外、超声传感器等都在实际系统中得到了广泛的应用。其中，超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低，被广泛用作移动机器人的测距传感器，以实现避障、定位、环境建模和导航等功能。本文介绍的CAN总线智能节点的设计以Microchip公司的PIC18F2580控制核心。由于PIC18F2580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TJAl040。系统总体结构框图如图1所示。


（2）
　　其中，T为绝对温度，co =331.4m／s。在不要求测距精度很高的情况下，一般可以认为c为常数。渡越时间法主要是测量超声发射到超声返回的时间间隔t，即“渡越时间”，然后根据式（1）计算距离。
3? 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。
3.1? 控制电路
　　超声波传感器的控制部分采用Microchip公司生产的PIC18F2580。它是一个单片8位高性能微控制器，采用了哈佛总线结构，运行速度高，功耗低，抗干扰能力强，具有片内CAN控制器。
　　作为系统控制核心，PIC18F2580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PIC18F2580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。







图3? 超声波发射部分电路图
　　图3中，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*模块来完成。TX1为超声波发射头。
3.3? 超声波传感器接收电路设计
　　电路采用集成电路CX20106A。这是一款红外线检波接收的集成电路，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C11的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。R12和C11控制CX20106A内部的放大增益，R14控制带通滤波器的中心频率。一般取R12=4.7Ω，C11=1μF。其余元件按图4取值。RX1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INTO上。





图5? 超声波测距软件流程图
4.2? 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它节点通信，故各个节点通信程序大致相同。具体程序的编写可参考PIC18F2580的用户手册。
5? 结束语
　　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Microchip公司PIC18F2580作为超声波传感器控制核心及CAN总线控制器。以TJAl040作为CAN总线收发器的CAN总线智能超声波测距系统。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PIC18F2580一个器件完成两种芯片的工作，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。