基于CAN总线通信的车用超声波测距仪设计

    将超声波应用于距离检测,具有准确性高、性能可靠、维护方便等优点,在国内外应用广泛.CAN(Controller Area Network)总线是一种串行多主站控制器局域网总线,是当前世界上最流行的现场总线之一.它具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性,简单实用,网络成本低,特别适用于汽车计算机控制系统和环境恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境.其通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤,数据传输数率最高可达1 Mbps(此时通讯距离最长为40米).作者将两者联系起来,应用在智能引导小车上,设计了超声波测距仪作为小车的避障单元,用CAN总线实现测距单元间的网络控制.

    1 超声波测距仪的设计

    1.1 超声波测距原理

    通常把谐振频率高于20 kHz的声波称为超声波.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.如图1所示,发射器向被测对象发送超声波,由接收器接收并计算出第一个发送和接收的时间t,如果忽略发射器与接收器之间的距离,则由式s= vt/2求出所测距离,式中v为超声波在空气中的速度,在本设计中由于无特殊精度要求,忽略声速随温度的变化.

    1.2 测距仪声波信号发生器的电路设计

    超声波发生探头(又称/超声波换能器0)的型号选用CSB40T.可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波.前者利用软件产生40 kHz的超声波信号,通过输入引脚输入至驱动器,经驱动器驱动后推动探头产生超声波.这种方法的特点是充分利用软件,灵活性好,但需要设计一个驱动电流为100 mA以上的驱动电路.第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号,并直接驱动换能器产生超声波.这种方法的特点是无需驱动电路,但缺乏灵活性.本测距仪采用第二种方法产生超声波,如图2所示,采用汽车用12伏电源,RP1作为调频电阻[1].

    1.3 测距仪声波信号接收器的电路设计

    超声波接收探头必须采用与发射探头对应的型号,主要是频率要一致,这里采用CSB40R,否则因无法产生共振而影响接受效果,甚至无法接收.由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱,因此必须经放大电路放大,波形变换后,才能被微处理器接收.按照渡越测量法原理,微处理器需要的只是第1个回波的时刻,因此可采用比较电路将正弦波转换为脉冲方波,由软件查询得到第1个回波前沿时刻.接收电路的设计如图3所示.

   显然,按照图3中的设计,当没有回波信号或回波信号很弱(即超出测量范围)时,比较器输出为高电平,反之,为低电平.由于经过放大和比较后的波形不是规则的矩形波,而是类似正弦波和矩形波,所以在LM324后加一个三极管,作用有二:一是使输出的波形为规则的矩形波;二是由于上拉电阻的作用,高低电平更加明显.从图可以看出,当接收到回波信号时,CSBIN信号为低电平,当接收不到信号或信号很弱时,CSBIN为高电平,从而可以用单片机查询高低电平信号来判断是否接收到回波.