基于PIC的CAN總線超聲波測(cè)距智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1、基于PIC的CAN總線超聲波測(cè)距智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)    1  引言移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在不確定環(huán)境下運(yùn)行，必須具備自動(dòng)導(dǎo)航和避障功能。在移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)中， 圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖機(jī)器人系統(tǒng)控制核心由ARM或DSP實(shí)現(xiàn)。其主要功能是處理需要復(fù)雜計(jì)算的信息，將經(jīng)過(guò)處理的信息再送回CAN總線，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的主要功能就是判斷障礙物位置，將對(duì)移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)方向有阻礙的障礙物信息通過(guò)CAN總線傳回主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)作出相應(yīng)處理并進(jìn)行避障動(dòng)作。本文將著重介紹超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)。2  超聲測(cè)距原理超聲測(cè)

2、距的原理較簡(jiǎn)單，一般采用渡越時(shí)間法，即：D=ct2                       （1）其中D為移動(dòng)機(jī)器人與被測(cè)障礙物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。聲波在空氣中傳輸速率為：c= co（2）其中，T為絕對(duì)溫度，co =331.4ms。在不要求測(cè)距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為c為常數(shù)。渡越時(shí)間法主要是測(cè)量超聲發(fā)射到超聲返回的時(shí)間間隔t，即“渡越時(shí)間”，然后

3、根據(jù)式（1）計(jì)算距離。3  超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的硬件 3.1  控制電路超聲波傳感器的控制部分采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC18F2580。它是一個(gè)單片8位高性能微控制器，采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度高，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，具有片內(nèi)CAN控制器。作為系統(tǒng)控制核心，PIC18F2580擔(dān)負(fù)兩個(gè)主要任務(wù)。其一是作為超聲波傳感器的控制核心，在其普通IO口上擴(kuò)展了超聲波傳感器的接收和發(fā)射部分電路，利用 圖2  測(cè)距節(jié)點(diǎn)控制 3.2  超聲波傳感器發(fā)射電路設(shè)計(jì)圖3  超聲波發(fā)射部分電路圖圖3中，LM386是一

4、種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、 3.3  超聲波傳感器接收電路設(shè)計(jì)電路采用 圖4  超聲波接收部分電路圖當(dāng)超聲波接收頭接收到40 kHz方波信號(hào)時(shí)，將會(huì)將此信號(hào)通過(guò)CX20106A驅(qū)動(dòng)放大送入單片機(jī)的外部中斷0口。單片機(jī)在得到外部中斷0的中斷請(qǐng)求后，會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷0的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理，在移動(dòng)機(jī)器人的避障工作中，可以在中斷服務(wù)程序設(shè)定需要單片機(jī)處理的最短距離，比如0.4m。對(duì)于距離大于0.4 m的障礙物，可以不做處理直接跳出中斷服務(wù)程序；對(duì)于距離小于或等于0.4m的障礙物信息，則在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行處理并通過(guò)CAN總線上報(bào)機(jī)器人系統(tǒng)控制核心，由機(jī)器人系統(tǒng)

5、控制核心發(fā)出命令指導(dǎo)機(jī)器人的避障動(dòng)作。對(duì)于多超聲波傳感器系統(tǒng)，每一個(gè)超聲波傳感器在判斷到對(duì)機(jī)器人行動(dòng)有障礙物時(shí)可分別在其中斷服務(wù)程序中對(duì)障礙物信息進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，上報(bào)給機(jī)器人系統(tǒng)控制核心的信息可以相對(duì)簡(jiǎn)單，只需機(jī)器人系統(tǒng)控制核心控制機(jī)器人的實(shí)際動(dòng)作，比如右轉(zhuǎn)20°，而不必機(jī)器人系統(tǒng)控制核心再次進(jìn)行計(jì)算，這樣會(huì)節(jié)省大量系統(tǒng)資源去作其它更為復(fù)雜的工作。3.4  CAN總線設(shè)計(jì)部分TJAl040是Philips 6N137是 TJAl040作為CAN總線收發(fā)器，與CAN總線的接口部分也采取了抗干擾措施。TJAl040的CANH1和CANL1引腳各自通過(guò)一個(gè)5 CANH和CANL與地

6、之間并聯(lián)了兩個(gè)30 pF的 4  超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的軟件編寫(xiě)軟件的編寫(xiě)工作主要有兩個(gè)部分：超聲波測(cè)距部分和CAN總線的通信部分。4.1  超聲波測(cè)距部分的軟件設(shè)計(jì)當(dāng)超聲波接收器接收到回波時(shí)，硬件電路產(chǎn)生脈沖電平觸發(fā)PIC18F2580的外部中斷0口。軟件編寫(xiě)的主要思想是，在中斷服務(wù)程序中由寄存器預(yù)先設(shè)定一個(gè)數(shù)值，這個(gè)數(shù)值是機(jī)器人避障的最短距離。從超聲波發(fā)射頭發(fā)射方波開(kāi)始，到超聲波接收頭接收到回波為止，把這段時(shí)間換算成為距離，與上述最短距離相比較。如大于最短距離，則不作處理，跳出中斷服務(wù)程序；如等于或小于最短距離，則執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。圖5是這部分程序的流程。 圖5 

7、; 超聲波測(cè)距軟件流程圖4.2  CAN總線通信部分的軟件編寫(xiě)這部分軟件編寫(xiě)主要由以下幾部分組成：初始化、接收處理、發(fā)送處理、中斷處理及錯(cuò)誤處理函數(shù)。由于系統(tǒng)中任意節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻均可主動(dòng)與其它節(jié)點(diǎn)通信，故各個(gè)節(jié)點(diǎn)通信程序大致相同。具體程序的編寫(xiě)可參考PIC18F2580的用戶(hù)手冊(cè)。5  結(jié)束語(yǔ)本文論述了以CAN總線擴(kuò)展多路超聲波傳感器的基本思想，介紹了一種以Microchip公司PIC18F2580作為超聲波傳感器控制核心及CAN總線控制器。以TJAl040作為CAN總線收發(fā)器的CAN總線智能超聲波測(cè)距系統(tǒng)。將多路超聲波傳感器的擴(kuò)展轉(zhuǎn)移到智能節(jié)點(diǎn)部分上完成，簡(jiǎn)化了移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)控制核心的工作；采取了比較簡(jiǎn)單的硬件設(shè)計(jì)