基于can总线的超声波车辆检测单元设计

1、基于CAN总线的超声波车辆检测单元设计关兵 金育东 方纪村 徐大林摘要：介绍了一种基于CAN总线进行通讯的超声波车辆检测单元的组成和工作原理，详细叙述了其设计思想、软硬件实现方法和PSPICE仿真效果。该设计的主要功能已通过超声波检测模块得以实现。关键词：CAN总线 超声波车辆检测 PSPICE仿真 1 引言 随着智能交通系统ITS（Intelligent Traffic System）在我国的逐步普及和深入，作为ITS重要组成部分的城市交通信号控制系统已成为众多研究机构和厂家关注的重点。在对城市交通信号控制系统进行研究的过程中，我们发现对道路车辆运行情况进行实时监测的车辆检测系统已成为交通信

2、号自适应控制的主要瓶颈。当作为系统输入和反馈的检测系统出现问题时，整个信号自适应控制系统将陷入混乱，轻则交通拥塞、重则事故频发，因此，研发稳定、可靠、适用面广的车辆检测单元成为摆在我们面前的一个重要课题。 将超声波应用于车辆检测，具有准确性高、性能可靠、维护方便等优点，在国外应用广泛。CAN总线 全称 Controller Area Network ，即控制器局域网，是当前世界上最流行的现场总线之一。将CAN总线应用于超声波车辆检测单元的设计，可以利用其高速、远距、可靠的传输特性，使车辆检测单元具有更加广泛、有效的适用性能。本文将对基于CAN总线的超声波车辆检测单元的软硬件设计予以详细介绍。2

3、 系统概述 本车辆检测单元是根据超声波测距原理实现车辆检测，通讯接口采用CAN总线，实现对单车道车流量的检测。以下概述之：2.1 超声波测距原理 谐振频率高于20KHZ的声波被称为超声波。超声波为直线传播，频率越高，则绕射能力越弱，反射能力越强。最常用的超声波测距方法为渡越时间测量法。其工作原理是：使超声波发射探头向介质发射超声脉冲，声波遇到被测物体后必有反射波作用于接收探头。若已知介质中的声速为v，发射脉冲时刻与第一个反射波到达时刻的时间差为t，则探头与被测物体距离s=vt/2（假设发射接收探头平行且紧靠），对距离值改变的测算可以实现所需的控制目的。 超声波的速度v与温度相关，空气中的声速与

4、温度的关系可表示为： （1）2.2 CAN总线简介CAN ，即控制器局域网，是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。最早出现于二十世纪八十年代末的汽车工业，由德国BOSCH公司提出，目的是为了解决汽车电子设备越来越高的通讯需求及可靠性问题，CAN总线一经提出，就以其优良的性能逐步取代了以往的RS-485总线，成为工业控制、汽车电子等行业的优选技术。其主要特点包括：l 极高的总线利用率l 很远的数据传输距离（长达10公里）l 很高的数据传输速率（高达1Mbit/s）l 可靠的错误处理和检错机制l 信息发送错误后可自动重发l 节点在严重错误时可自动退出网络l 低成本2.3 系统组成超声波发射信号由S

5、ST89E58产生，信号经过驱动后发给发射探头；接收探头接收到的信号先后经过放大、滤波、检波、比较后送单片机外部中断口。测温传感器DS18B20经一根I/O口线将温度值送入单片机用以校正超声波测距精度。测距值和报警信号分别以CAN和开关量送出。CAN总线通讯部分主要由CAN总线控制器SJA1000和CAN总线驱动器TJA1040T等组成。SJA1000是飞利浦公司生产的符合CAN2.0B标准的独立总线控制器，目前应用十分广泛。系统组成如图一： 图一 超声波车辆检测单元系统组成框图3 超声波检测单元设计 超声波检测单元的设计主要有检测电路和嵌入式软件组成，许多功能由软件和硬件配合实现。下面将其主

6、要部分予以详细介绍。3.1 超声波发射电路及软件模块 超声波发射电路为发射探头提供一组10个左右的40kHz脉冲串，这种脉冲串大约每隔100ms左右发射一次，每测一次发射脉冲和回波的时间差，即可由公式算出距离。脉冲串由SST89E58单片机通过定时器T0实现。SST89E58内有3个16位定时器、6个中断源、36KBYTE的FLASH存储器。单片机定时器T0初值设定为10ms中断，在中断服务程序中进行软件计数，每10次T0中断发射脉冲串一次，脉冲串由软件延时得到，即13us的正脉冲和12us的负脉冲，正好得到周期25us的40kHz方波。输出的方波经过CD4049驱动功率变压器，为发射探头提供

7、幅度达40V的发射信号。3.2 超声波接收电路及仿真 超声波接收电路主要包括前端放大、带通滤波、后级放大、检波比较等组成，超声波接收探头接收到的信号是微伏级的，所以放大器必须放大10万倍以上，信号才能进行检波判断。为了确保信号可靠放大而不受噪声干扰。前端放大器本设计使用了仪用放大器AD623, AD623适用于高性能精密设计，成本低，可单电源供电，放大倍数达1000倍。使用AD623做前级放大可有效降低噪声电平。 仪用放大器可以将各个频段的信号均放大1000倍，因此，必须使用带通滤波器将40khz左右的有用信号提取出来。本设计运用了无限增益多路反馈型滤波电路，电路如图二： 图二 无限增益多路反

8、馈型滤波电路图 该滤波电路的滤波参数为： （2） （3）设计中引入了PSPICE仿真，可以得到最佳的参数设计效果，图三为PSPICE仿真进行交流小信号频率特性分析（AC SWEEP）的结果： 图三 无限增益多路反馈型滤波电路仿真图 在带通滤波后，再由单电源运放放大100倍，即可得到伏级的电信号，通过检波比较后输出的方波就可以送入单片机外部中断口检测了。3.3 回波接收判断软件设计 对回波的接收判断主要考虑基准初值的自适应问题，图四的流程图给出了一个简单的接收判断过程。 图四 回波接收判断流程图3.4 温度补偿设计 由于超声波在空气中传播的速度会受温度的影响而发生改变，为了更精确的实现检测功能，

9、本设计使用了单线数字温度传感器DS18B20来进行测温补偿。DS18B20是新一代的温度传感器，测温范围-55+125，精度达±0.5,912位分辨率，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，整个产品体积小、价格低、使用灵活。单总线性能优良，主要表现在：l 独特的电源和信号复合在一起，可单独或复合使用 l 仅使用一条口线 l 每个芯片唯一编码，支持联网寻址 l 简单的网络化的温度感知l 零功耗等待DS18B20的使用十分简便，1脚接地，3脚接电源，2脚与一个单片机I/O口相连。编程主要是对单总线的读写，下面给出一个写程序实例。/*函数名：写一个字节数据子程

10、序说明： 单总线写8位字节数据输入: 要写入的数据*/void write_byte(uchar value_w)uchar i; uchar temp;for(i=0;i<8;i+) /写一个字节数据一次写一位temp=value_w>>i; /移位操作,将本次要写的位移到最低位temp&=0x01;write_bit_single(temp);/向总线写该位delay1(5); /延时60US以完成本次写时序4 CAN总线接口设计 CAN总线网络接口使用了philips公司的总线控制器SJA1000和总线收发器TJA1040T。SJA1000是一种应用于汽车和一般

11、工业的具有先进特性的CAN控制器，可替代PCA82C200，支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，具有BasicCAN和PeliCAN两种工作模式，内含扩展的发送和接收缓冲区，支持诊断的纠错、维护功能。TJA1040T是CAN总线控制器和物理总线之间的接口，速度可达1Mbits/s，为总线提供差动的发送功能，为CAN控制器提供差动的接收功能。TJA1040T具有优良的EMC特性，在不上电情况下呈现无源特性，是一款先进的CAN总线驱动器。本设计中采用了这两款芯片配合构成CAN总线应用接口，图五为整个接口设计的电路原理图。CAN通讯程序实现简单的广播发送点对点通讯协议。CAN总线通讯程序主要由S

12、JA1000初始化程序，发送数据子程序，接收数据子程序等组成。 图五 CAN 总线接口电原理图5 总结 本文介绍了一种利用超声波测距原理设计的超声波车辆检测单元，同时运用CAN总线技术设计了通讯接口。本设计的主要功能已通过一系列5.08mm×5.08mm×20mm的超声波检测模块实现，可以完成3米到9米不等的检测要求。经过软件和结构设计的进一步优化，即可实现车辆检测。本设计可广泛用于智能交通、工业测距、机器人控制、安防报警等各类系统中，应用前景十分广阔。参考文献：1 饶运涛.现场总线CAN原理与应用技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2003.39-46.2 张培仁.基于

13、C语言编程MCS-51单片机原理与应用M.北京：清华大学出版社，2003.268-277.3 丁镇生.传感器及传感技术应用M.北京：电子工业出版社，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, achi