基于PIC18F2580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，傳感器起著舉足輕重的作用。視覺(jué)、激光、紅外、超聲傳感器等都在實(shí)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(jiǎn)單、速度快和價(jià)格低，被廣泛用作移動(dòng)機(jī)器人的測(cè)距傳感器，以實(shí)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(diǎn)的設(shè)計(jì)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(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)距的原理較簡(jiǎn)單，一般采用渡越時(shí)間法，即：
D=ct／2 （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 =331.4m／s。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(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(hào)并通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(duì)其余口線繼續(xù)進(jìn)行超聲波傳感器的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多個(gè)超聲波傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其二是利用PIC18F2580的片內(nèi)CAN控制器實(shí)現(xiàn)與CAN總線的連接。這樣的設(shè)計(jì)改變了過(guò)去在機(jī)器人控制核心上進(jìn)行超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不但將超聲波檢測(cè)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(diǎn)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(shí)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(cè)距節(jié)點(diǎn)控制電路圖