基于can總線的超聲波車輛檢測單元設(shè)計

1、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)進行研究的過程中，我們發(fā)現(xiàn)對道路車輛運行情況進行實時監(jiān)測的車輛檢測系統(tǒng)已成為交通信

2、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、遠距、可靠的傳輸特性，使車輛檢測單元具有更加廣泛、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

3、 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時刻的時間差為t，則探頭與被測物體距離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

4、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：l 極高的總線利用率l 很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離（長達10公里）l 很高的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1Mbit/s）l 可靠的錯誤處理和檢錯機制l 信息發(fā)送錯誤后可自動重發(fā)l 節(jié)點在嚴(yán)重錯誤時可自動退出網(wǎng)絡(luò)l 低成本2.3 系統(tǒng)組成超聲波發(fā)射信號由S

5、ST89E58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

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，在中斷服務(wù)程序中進行軟件計數(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

7、幅度達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仿真進行交流小信號頻率特性分析（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，

9、本設(shè)計使用了單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20來進行測溫補償。DS18B20是新一代的溫度傳感器，測溫范圍-55+125，精度達±0.5,912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：l 獨特的電源和信號復(fù)合在一起，可單獨或復(fù)合使用 l 僅使用一條口線 l 每個芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址 l 簡單的網(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

10、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;i<8;i+) /寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)一次寫一位temp=value_w>>i; /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。是CAN總線控制器和物理總線之間的接

11、口，速度可達1Mbits/s，為總線提供差動的發(fā)送功能，為CAN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5.08mm×5.

12、08mm×20mm的超聲波檢測模塊實現(xiàn)，可以完成3米到9米不等的檢測要求。經(jīng)過軟件和結(jié)構(gòu)設(shè)計的進一步優(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：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 Design of Ultrasonic Vehicle Detecto

13、rBased 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 way