基于PIC18F2580的CAN總線超聲波測距智能節(jié)點設(shè)計

1 引言
移動機(jī)器人要實現(xiàn)在不確定環(huán)境下運行，必須具備自動導(dǎo)航和避障功能。在移動機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)中，傳感器起著舉足輕重的作用。視覺、激光、紅外、超聲傳感器等都在實際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低，被廣泛用作移動機(jī)器人的測距傳感器，以實現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導(dǎo)航等功能。本文介紹的CAN總線智能節(jié)點的設(shè)計以Microchip公司的PIC18F2580控制核心。由于PIC18F2580有片上自帶的CAN控制器并且為CAN的應(yīng)用提供了許多專用的硬件功能，因此又將它作為了系統(tǒng)的CAN總線控制器，大大節(jié)省了主控系統(tǒng)的資源。CAN總線的收發(fā)器采用TJAl040。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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實現(xiàn)。其主要功能是處理需要復(fù)雜計算的信息，將經(jīng)過處理的信息再送回CAN總線，并對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。超聲波智能節(jié)點控制系統(tǒng)的主要功能就是判斷障礙物位置，將對移動機(jī)器人前進(jìn)方向有阻礙的障礙物信息通過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)行避障動作。本文將著重介紹超聲波智能節(jié)點控制系統(tǒng)。
2 超聲測距原理
超聲測距的原理較簡單，一般采用渡越時間法，即：
D=ct／2 （1）
其中D為移動機(jī)器人與被測障礙物之間的距離，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為絕對溫度，co =331.4m／s。在不要求測距精度很高的情況下，一般可以認(rèn)為c為常數(shù)。渡越時間法主要是測量超聲發(fā)射到超聲返回的時間間隔t，即“渡越時間”，然后根據(jù)式（1）計算距離。
3 超聲波智能節(jié)點控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
超聲波智能節(jié)點控制系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。
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。它是一個單片8位高性能微控制器，采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，運行速度高，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I／O口上擴(kuò)展了超聲波傳感器的接收和發(fā)射部分電路，利用單片機(jī)軟件功能產(chǎn)生40 kHz信號并通過驅(qū)動放大發(fā)射出去，再利用接收部分電路進(jìn)行接收。另外可以對其余口線繼續(xù)進(jìn)行超聲波傳感器的擴(kuò)展，實現(xiàn)多個超聲波傳感器系統(tǒng)的設(shè)計。其二是利用PIC18F2580的片內(nèi)CAN控制器實現(xiàn)與CAN總線的連接。這樣的設(shè)計改變了過去在機(jī)器人控制核心上進(jìn)行超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計，不但將超聲波檢測與處理的工作轉(zhuǎn)移到了單片機(jī)上，大大節(jié)省了機(jī)器人控制核心的系統(tǒng)資源，還將CAN總線智能節(jié)點的大部分控制工作也轉(zhuǎn)移到了單片機(jī)上，節(jié)省了硬件資源，同時CAN總線的采用大大提升了系統(tǒng)的抗干擾能力，使機(jī)器人控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定地工作。

圖2 測距節(jié)點控制電路圖