参考基于can总线（controller area network）安全车距保持系统硬件设计

I 论文题目：基于 CAN 总线的安全车距保持系统硬件设计 摘 要 本文首先进行了高速公路安全车距保持系统的总体设计，通过对 CAN 模块、红外 测距模块、串口通信模块的设计,构成基于 CAN 总线的安全车距保持系统。整个系统 可分为红外测距和主控制单元两个子系统，且 CPU 选用 dsPIC30F4012 单片机。红外 测距子系统是实现车距信号的采集和处理，包括 CAN 模块、红外测距处理电路、报警 电路等三部分组成；主控制单元是对红外测距子系统发过来的车距数据进行处理，判 断目前行车的安全状况，同时把处理结果发送给制动和油门子系统。当自车与前车之 间的距离小于所设定的安全距离并有可能发生碰撞时，该系统将发出报警，提醒驾驶 员采取相应的措施，情况紧急时可直接刹车以避免碰撞事故的发生。 关键字：安全车距保持系统，CAN 总线，红外测距，dsPIC30F4012 单片机 Subject: The Hardware Design Of CAN Bus-based Vehicle Safety Distance Keeping System II ABSTRACT This paper conducted the overall design of highway vehicle safety distance keeping system. By way of the design of CAN module, infrared distance measurement module and standard communication module, the construction of the system is based on safe intervals maintaining system of CAN Bus. The whole system can be divided into subsystem including infrared distance measurement and master control unit systems, and both of them adopted dsPIC30F4012 microprocessor. Infrared distance measurement subsystem carries out the collecting and processing of vehicles distance signals, consists of four parts including CAN module, infrared distance measurement processing circuit and alarm circuit. Master control unit processes the vehicle distance data sent out by infrared distance measurement subsystem, and determine the current safety status of the vehicles, at the same time, sends the processing results to braking and accelerator subsystems. When the distance between itself and the preceding vehicle falls into the set safety distance and collision is quite probable to happen, the system will give warnings to warn of the driver to take corresponding measures. Under urgent circumstances, direct braking can prevent collision accidents from happening. KEY WORDS：safety distance keeping system ，CAN bus，infrared distance measurement ，dsPIC30F4012 microprocessor 目录 第 1 章 绪论.1 1.1 概述 1 1.2 本课题研究意义与内容 1 1.3 本文内容介绍 2 第 2 章 高速公路安全车距模型的建立.4 III 第 3 章 系统方案设计.6 3.1 总体方案 6 3.2 单片机的选用及性能特点 6 3.2.1 dsPIC30F 系列单片机简介6 3.2.2 dsPIC30F4012 单片机的性能特点7 3.3 红外测距子系统总体设计 11 3.3.1 红外测距原理与方法.11 3.3.2 红外测距子系统框图.12 3.4 主控制单元子系统的总体设计 13 第 4 章 系统硬件设计.14 4.1 总体设计思路 14 4.2 电源电路的设计 14 4.3 CAN 模块的硬件设计15 4.3.1 CAN 总线介绍.15 4.3.2 PCA82C250 芯片介绍.18 4.3.3 CAN 模块硬件设计.19 4.4 红外测距模块硬件设计 20 4.4.1 红外测距传感器介绍.20 4.4.2 红外测距硬件电路设计.21 4.5 标准通信接口模块 22 4.5.1 串行数据接口标准介绍.22 4.5.2 RS-422 标准介绍 .23 4.5.3 SP491E 芯片介绍.24 4.5.4 串口通信硬件设计25 4.6 报警模块 27 第 5 章 系统软件设计.28 5.1 软件设计思想 28 5.1.1 软件开发工具介绍28 5.1.2 软件的设计思想29 IV 5.2 软件设计主要流程图 29 5.2.1 测距子系统主程序流程图29 5.2.2 CAN 总线发送子程序流程.30 5.2.3 红外发送和接收程序流程图.31 5.2.4 主控制单元子系统主程序流程图32 第 6 章 系统调试.33 6.1 系统调试 33 6.1.1 调试过程33 6.1.2 系统存在的问题.36 6.2 展望 37 第 7 章 结束语.38 7.1 论文总结 38 7.2 心得体会 38 致谢.40 参考文献.41 附录.42 附录一 CPU 内部结构框图.42 附录二 系统电路图43 附录三 主程序清单44 1 第 1 章 绪论 1.1 概述 众所周知，高速公路以其自身无可比拟的特点已成为一个国家交通运输业发展的 标志。近年来，高速公路的建设与发展，已经成为公路建设的一大趋势，为缓解公路 交通严重的堵塞现象起到了积极作用，为我国的经济发展发挥着举足轻重的作用。由 于高速公路的行车特点，其交通事故具有以下几个特点： 1.追尾碰撞是高速公路交通事故的主要形式。对高速公路事故进行调查分析，可 知追尾事故居各种事故之首，而且多为恶性事故，所造成的事故损失及人员伤亡最大， 所以预防高速公路交通事故主要应从预防追尾碰撞入手。 2.高速公路交通事故中，重大、特大恶性事故多。高速公路上由于汽车行驶速度 快，运行时动量大、冲击力强，一旦发生事故，后果及其严重。 3.驾驶员责任事故所占的比例最大。我国各地的交通事故统计表明，驾驶员责任 事故占总数的70%-80%。 4.天气情况对高速公路交通事故发生率影响显著。不良的天气如雨雪雾等，往往 是一些重大、特大事故的诱因。 鉴于高速公路交通事故中追尾碰撞占有很大比例这一现实，当务之急是进行高速 公路追尾碰撞的研究，从技术措施方面寻求对策，开发高速公路汽车防撞系统，可以 为驾驶员争取一定的时间，以便能够有充足的时间采取相应的措施，从而提高交通安 全、降低恶性交通事故发生率、减少生命财产损失将起到重要作用。显然，在我国高 速公路追尾碰撞频繁、恶劣的情况下，研究开发碰撞避免系统具有极大的现实意义和 广阔的应用前景。 1.2 本课题研究意义与内容 近年来，我国道路交通安全形式越来越严峻，如果能够在事故发生前提醒驾驶员 并采取一定的安全措施，对减少交通事故的发生则是非常有用的。高速公路汽车安全 车距保持系统正是基于提高车辆的主动安全性来实现在行车过程中，给驾驶员提供必 要的技术设施，该系统的研究符合国内外汽车智能化的发展趋势。 本课题的研究主要是从车、路中车的安全角度出发而开发一种能有效防止高速公 路道路交通事故发生的车载设备；针对我国高速公路交通安全的需要，以及国内外智 2 能交通系统及汽车电子技术的应用现状和发展趋势，综合交通安全工程、汽车工程学、 汽车电子技术、通信技术和控制技术等多学科理论，从必要性、可行性、实用性和经 济性等角度出发，提出开发研制汽车安全车距保持系统，建立相应的安全距离模型及 其算法，当行车处于危险状态时发出报警，提醒驾驶员采用相应措施，从而减少或避 免高速公路碰撞事故的发生。 本课题旨在结合中国道路交通安全实际，对汽车防撞报警系统所涉及的相关理论 及技术问题进行研究，开发一种能有效防止高速公路追尾碰撞事故发生的车载设备， 为提高我国道路交通安全水平，降低交通事故发生率，促进智能交通系统在我国的发 展及实现做出贡献。 本次研究主要针对汽车防撞系统进行了研究，对前面开发的系统性能进行了改进。 主要研究内容包括以下几个方面: 1.汽车安全车距保持系统的总体设计 完成汽车安全车距保持系统的总体设计，把整个系统划分成两个分工不同的子系 统，并确定实现总体方案所需要解决的关键技术。 2.汽车防撞安全距离模型的确定 结合系统的技术要求和车辆的行驶情况，提出符合该课题的安全距离跟车模型， 使其具有更好的可靠性和实用性，对模型中的参数进行选取。 3.进行汽车安全车距保持系统硬件的总体设计并解决关键技术 本论文中着重论述了主控单元子系统和红外工作数据发送单元的硬件设计，解决 了汽车防撞系统中的红外测距系统这一关键技术。 4.按照系统的功能需求，制定了各子系统之间通讯的通讯规约，并用C汇编语言设 计了系统的主控单元子系统软件和红外测距子系统中红外通讯数据发送单元软件。 5.通过模拟实验，验证系统所要求的各种性能。 1.3 本文内容介绍 全文围绕着基于 CAN 总线的安全车距保持系统展开讨论，首先在第 2 章节详细介 绍了高速公路上的安全车距模型的建立，该章的内容是为后面的讲解做铺垫的；第 3 章提出了该系统的解决方案以及对方案中所使用的 CPU 进行了详细的说明，由于各种 因素在提出的方案中只对测距子系统和主控制单元子系统进行了总体的设计；第 4 章 是本文的重点部分，介绍了 CAN 总线并对两子系统的各模块进行设计，还对所使用的 3 芯片和各模块硬件电路图做了必要的说明；第 5 章是相关的软件设计思想及其流程图； 第 6 章则是该系统硬件和软件的调试部分，对本次设计做了总结和客观的评价。最后 一章是对全文的总结以及在这设计过程中所收获的心得。由于本人的水平有限，本文 编写中的错误在所难免，恳请各位老师和同学提出宝贵的意见。 4 第 2 章 高速公路安全车距模型的建立1 在高速公路上行车的理想交通条件是，在同一车道上，同向行驶的车辆均为单一 的小客车，以相同的速度，连续不断的行驶，各车辆之间保持着一定的车头间距，构 成一种稳定的交通流。如果跟随车辆的车头间距过小，则容易发生汽车追尾碰撞事故； 如果车头间距过大，又会影响道路的通行能力。 所谓行车安全距离就是指在同一车道上，同向行驶前后两车间的距离(后车车头与 前车车尾之间的距离)，保持既不发生汽车追尾事故，又不降低通行能力的适当距离。 两车在高速公路上同向行驶，若后车速度大于前车速度，两车将会不断接近，后 车驾驶员稍不留意，就有可能发生撞车事故。要避免同向行驶的两车相撞，就需要实 时判断两车的相对距离是否为安全距离，故两车不发生追尾的条件是:d d1d 式中为临界行车安全车距，指两车不致相撞的最短距离，可见建立防撞数学模型的1d 关键是求。1d 为保证行车的绝对安全，我们取前车的极限情况，即前车静止。模型采取两次报 警的方式，将驾驶员的反应时间和汽车的制动时间分离开来，这样做的原因是绝大多 数追尾事故是由于驾驶员的反应时间过长而发生的。因此将反应时间分离出来可以及 时提醒驾驶员要准备制动了。这样就产生了两个概念，一是提醒报警距离，该报警距 离计算需要考虑驾驶员的反应时间;另一是危险报警距离，该距离计算不需要考虑驾驶 员的反应时间。这样就可以确定了。1d 设， : 自车速度，单位m/s1v : 自车制动减速度，单位m/1a 2 s : 驾驶员反应时间，单位shumt : 制动器协调时间，单位sxt : 制动减速度增长时间，单位sst : 安全间距，单位mod : 提醒报警距离，单位mwd : 报警距离统一符号，单位md 提醒报警距离：wd 图2.1为自车和前车在提醒报警距离时相对位置图。 5 图 2.1 前车静止状态时的提醒报警距离示意图 2.1 2 1 1 () 122 s wxhumo tv dvttd 6 第 3 章 系统方案设计 3.1 总体方案 该系统主要是对基于CAN总线的安全车距保持系统的结构以及功能进行设计, 在 这里把系统分成两个子系统来讨论。一个子系统为CAN节点控制器，它采集和处理距 离信号，还可实现串口通信和报警，然后再通过对CAN模块的设计，将系统各部分作 为网络节点挂接在CAN总线上。另外一个子系统作为汽车的主控制器，通过CAN模块 挂接在CAN总线上，它可实现对距离信号的判别，再对制动ECU和油门ECU发出控制 信号来实现刹车。综上，基于CAN总线的安全车距保持系统的控制网络如下图所示： 图3.1 安全车距保持系统CAN控制网络 3.2 单片机的选用及性能特点 单片机凭借体积小、质量轻、价格便宜等优势，已经渗透到我们生活的各个领域： 各种智能的IC卡、全自动洗衣机、摄像机、电子宠物、机器人、智能仪表等。随着微 电子技术的飞速发展，CPU已经变成低成本器件。在可能的情况下，各种机电设备已 经或者正在嵌入CPU构成的嵌入式系统。现在系统研究的重点已从通用系统转向专用 系统，以及从一般性能转向可靠性、可用性、安全性、自主性、可扩展性、功能性、 灵活性、成本、体积、功耗及可管理性上。 3.2.1 dsPIC30F 系列单片机简介2 考虑到该系统是应用在汽车上的，而且需要CAN模块与汽车的主控器通信，则单 片机是选用Microchip公司生产的dsPIC30F系列的高性能16 位数字信号控制器。该系列 7 单片机集成了振荡器复位、低电压检测、看门狗定时器和低功耗模式、闪存和 EEPROM编程、器件配置等功能；系统集成功能有助于降低系统成本、提高系统可靠 性、提高设计灵活性。还具备许多允许器件与外界交换信息的外设。其外设包括：I/O 端口、定时器、输入捕捉模块、输出比较模块、正交编码器接口（QEI）、10位AD转 换器、12位AD转换器、UART模块、SPITM模块、I2CTM模块、数据转换器接口 （DCI）模块及CAN模块等12个外设模块。 dsPIC30F系列单片机内部框图（见附录一） 3.2.2 dsPIC30F4012 单片机的性能特点 1.dsPIC30F4012单片机的引脚图如图3.2所示： MCLR 1 EMUD3/AN0/VREF+/CN2/RB0 2 EMUC3/AN1/VREF-/CN3/RB1 3 AN2/SS1/CN4/RB2 4 AN3/INDX/CN5/RB3 5 AN4/QEA/IC7/CN6/RB4 6 AN5/QEB/IC8/CN7/RB5 7 VSS 8 OSC1/CLKIN 9 OSC2/CLKO/RC15 10 EMUD1/SOSCI/T2CK/U1ATX/CN1/RC13 11 EMUC1/SOSCO/T1CK/U1ARX/CN0/RC14 12 VDD 13 EMUD2/OC2/IC2/INT2/RD1 14 EMUC2/OC1/IC1/INT1/RD0 15 FLTA/INT0/SCK1/OCFA/RE8 16 PGD/EMUD/U1TX/SDO1/SCL/C1TX/RF3 17 PGC/EMUC/U1RX/SDI1/SDA/C1RX/RF2 18 VSS 19 VDD 20 PWM3H/RE5 21 PWM3L/RE4 22 PWM2H/RE3 23 PWM2L/RE2 24 PWM1H/RE1 25 PWM1L/RE0 26 AVSS 27 AVDD 28 U1 DSP30F4012 图 3.2 dsPIC30F4012 单片机的引脚图 2.介绍 dsPIC30F4012 单片机的功能模块 针对该系统要实现的功能，如 CAN 通信、测距、串口通信、报警等，那么主要使 用单片机的相关功能模块有 CAN 模块、定时器、输入捕捉、10 位 A/D 转换器、 UART，下面将进行详细的介绍： 1）.CAN 模块 控制器局域网（Controller Area Network，CAN）是一个串行接口，用来与其他 CAN 模块或数字信号控制器进行通信。此接口/协议设计为允许在噪声环境下进行通信。 图 3.3 所示为 CAN 总线网络示例。 8 带有CAN的 dsPIC30F MCP2551 收发器 MCP2551 收发器 MCP2551 收发器 MCP2551 收发器 带集成CAN 的dsPIC30F MCP2551 收发器 PIC micro 单片机 Microchip MCP2510 带集成CAN 的dsPIC30F 带集成CAN 的dsPIC30F SPI 接口 图 3.3 CAN 总线网络 dsPIC30F4012 器件具有 1 个 CAN 模块。CAN 模块是一个通信控制器，实现了 BOSCH 规范中定义的 CAN2.0A/B 协议。模块支持协议的 CAN 1.2、CAN2.0A、CAN 2.0B Passive 以及 CAN2.0B Active 版本。模块实现的是完整的 CAN 系统。 模块具有以下特性： 实现了 CAN 协议 CAN 1.2、CAN 2.0A 和 CAN 2.0B 标准和扩展数据帧 0-8 字节数据长度 可编程比特率，最高为 1 Mbps 支持远程帧 双缓冲接收器，带两个区分优先级的接收报文存储缓冲器（每个缓冲器可存放 最多 8 字节的数据） 6 个完全（标准/扩展标识符）接收过滤器，其中 2 个与高优先级接收缓冲器相 关联，4 个与低优先级接收缓冲器相关联 2 个完全接收过滤屏蔽寄存器，分别与高优先级接收缓冲器和低优先级接收缓冲 器相关联 3 个发送缓冲器，能够由应用指定优先级，并具有中止能力（每个缓冲器可存放 9 最多 8 字节的数据） 可编程唤醒功能，集成了低通滤波器 可编程环回模式，支持自检操作 通过中断功能，为所有 CAN 接收器和发送器的错误状态发送信号 可编程时钟源 到输入捕捉模块（对于 CAN1 和 CAN2 为 IC2）的可编程链接，可进行时间标 记和网络同步 低功耗休眠和空闲模 CAN 总线模块由一个协议引擎与报文缓冲和控制组成。通过确定模块发送和接收 的数据帧类型就可以很好的理解协议引擎。 2）.定时器 根据具体器件，dsPIC30F 器件系列提供了几个 16 位定时器。这些定时器被指定为 Timer1、Timer2、Timer3等。每个定时器模块均为 16 位定时器/计数器由下列可读 /写寄存器组成的： TMRx：16 位定时器计数寄存器 PRx：与该定时器相关的 16 位周期寄存器 TxCON：与该定时器相关的 16 位控制寄存器 每个定时器模块还有与中断控制相关的位： 中断使能控制位（TxIE） 中断标志状态位（TxIF） 中断优先级控制位（TxIP） 除了某些例外的功能之外，所有 16 位定时器都有相同的功能电路。16 位定时器分 为三种类型以 说明其功能上的差异： A 类型时基 B 类型时基 C 类型时基 有些 16 位定时器可以组合成为 32 位定时器。 3）.输入捕捉 10 此模块提供的特性可用于需要进行频率（周期）和脉冲测量的应用场合。输入捕 捉功能可用于以下模式： 频率/周期/脉冲测量 其他外部中断源 输入捕捉模块的主要工作特性是： 简单捕捉事件模式 Timer2 和 Timer3 模式选择 输入捕捉事件发生时产生中断通过在 ICxCON 寄存器（其中 x=1,2,.,N）中 设置相应的位，选择上述工作模式。dsPIC30F4012 器件具有 4 路捕捉通道。 4）.10 位 A/D 转换器 10 位高速模数转换器（ADC）可将模拟输入信号转换为 10 位数字值。该模块 基于逐次逼近寄存器（Successive Approximation Register，SAR）结构，可实现最大 1 Msps 的采样速率。ADC 模块具有 16 路模拟输入通道，经过多路开关连接到 4 个采样/ 保持放大器。采样/保持电路的输出输入到转换器，经转换器转换后得到数字结果。可 通过软件选择模拟参考电压为器件供电电压（AVDD/AVSS）或（VREF+/VREF-）引 脚上的电压。ADC 模块具有一个独特的功能：当器件处于休眠模式时，ADC 仍能工作。 5）.UART 通用异步接收器/ 发送器通信模块。 UART 模块的主要特性是： 全双工8 位或9 位数据通信 偶校验、奇校验或无奇偶校验选项（对于8 位数据） 一个或两个停止位 完全集成的波特率发生器，具有16 位预分频器 在30 MHz 指令速率时，波特率范围为38 bps 到1.875 Mbps 4字深度发送数据缓冲器 4字深度接收数据缓冲器 奇偶校验错误、帧错误和缓冲器溢出错误检测 支持仅在地址检测（第9 位 = 1）时产生中断 独立的发送和接收中断 11 用于诊断支持的环回模式 3.3 红外测距子系统总体设计 3.3.1 红外测距原理与方法 常用的测距方法包括红外线测距、超声波测距、激光测距、毫米波雷达等，表3.1 列出了汽车中常见的测距方式的主要技术参数: 表3.1 汽车各种测距方式的主要技术参数对比表 探测方法红外线超声波激光雷达毫米波雷达 最大探测 距离（m）最大10m最大10m 最大150m，由激 光驱动功率决定 150m，由波束宽 度和接收机灵敏度 决定 分辨率10mm差最小1mm10mm 响应时间 （ms） 受声速的限制慢， 一般为1s 快， 一般10ms 快， 一般为1ms 传感器脏、湿 度的影响 一般差差好 环境适应性 恶劣天气适应性 性差，穿透能力 强 恶劣天气适应性 性差，穿透能力 强 恶劣天气适应性 性差，穿透能力 强 恶劣天气适应性性 强，穿透能力强 硬件价格低低较高较低 从表中可以看出:超声波与红外线测距技术在探测距离可能受到限制，但红外线作 为一种特殊的光波,具有光波的基本物理传输特性反射、折射、散射等,也不会影响周 边环境，且由于其技术难度相对不太大,构成的测距系统成本低廉,性能优良,便于民用 推广，所以选择了红外测距。 红外线发射器间隔一定的时间发射频率为 37.9kHz 的红外线,经障碍物反射,红外线 接收器接收到反射波信号,并将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时间差 t,即可求出距离s： 3.1 1 2 sct 12 式中,c 为光速度,一般取 3m/s。 8 10 本文采用“计数”方式，通过单片机处理进行测量,其基本原理是：红外线发射器 始终处于发射红外线的状态，当红外接收器第一次接收到障碍物反射回的红外线时,经 电路处理单片机给出一个计数启动信号，单片机的计数器开始以一定频率计数；当红 外线接收器第二次接收到反射回的红外线时,经电路处理单片机给出一个停止计数脉冲, 计数器停止计数。通过编程,单片机自动处理,用脉冲的周期 T 乘以脉冲数 n 就得到发 射红外线到接收红外线的时间差 t,即: 3.2tnT (2)式代入(1)式就得测量距离。9 图 3.4 红外测距原理图 3.3.2 红外测距子系统框图 红外测距子系统可分为CAN模块、红外测距处理模块、报警模块等三部分组成。 各模块要实现的功能分别是：CAN模块是负责把当前的车距数据发送给汽车的主控器； 红外测距处理模块是通过发射一定频率的红外信号，当红外接收管接收到反射回来的 红外信号时使CPU转到中断，并通过一定的控制算法计算出当前的车距；报警模块是 实现报警功能的，当CPU判断出当前的车距小于安全车距时就发出声音信号，可提醒 驾驶员采取相应的措施。 其子系统框图如图3.5所示： dsPIC30F 系列单片 机 红外发 射管 红外接 收管 CAN 模块 前 车 解码处 理电路 报警电路 13 图 3.5 红外测距子系统框图 3.4 主控制单元子系统的总体设计 主控制单元子系统所要完成功能是接收距离信息采集单元发过来的数据进行处理， 判断目前行车的安全状况，同时把处理结果发送给制动和油门子系统。结合实际情况， 在此该系统可分为 CAN 模块和标准通信模块，CAN 模块是接收 CAN 节点发送来的车 距数据，标准通信模块的功能是为上位机提供通信接口，当上位机需要车距数据时， 可通过该模块获取数据。该子系统采用了 CAN 总线通讯，主控单元子系统的结构如图 3.6 所示： dsPIC30F 系列单片 机 CAN 模块 标准通 信模块 图3.6 主控制单元子系统框图 14 第 4 章 系统硬件设计 4.1 总体设计思路 设计初期，根据题目的要求确定了该系统要实现两功能：测距功能和 CAN 总线 通信功能。考虑到该系统是要应用在汽车上的，确定了使用两控制器来完成该系统的 功能，一个控制器实现红外传感器测距的处理，相当于 CAN 总线的节点；另外一个控 制器模拟汽车的主控器，两控制器之间就需要 CAN 总线实现通信连接。 在本次设计中选用的是 Microchip 公司生产的 dsPIC30F4012 高性能 16 位数字信 号控制器，主要使用了它的 CAN 模块，定时器，输入捕捉模块， I/O 端口， 10 位 AD 转换器， UART 模块等 6 个外设模块。红外测距子系统可分为 CAN 模块、红外 测距模块、报警模块，而主控制单元子系统可分为 CAN 模块和标准通信接口模块。设 计电路时将电路划分成不同功能的小模块，这样设计思路比较清晰，对后面的调试也 比较方便。在后面的各节中将详细介绍各模块的硬件电路的设计思路和所实现的功能。 设计总电路图（见附录二） 4.2 电源电路的设计 在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成可 以用图 4.1 表示，它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。 低压交流电源整流电路滤波电路电压调整电路输出 比较控制电路反馈网络 参考基准电路 图 4.1 直流稳压电源结构图和稳压过程 如图 4.2 所示电路为输出电压+5V、输出电流 1.5A 的稳压电源。它由电源变压器 T，桥式整流桥 D1，滤波电容 C1，防止自激电容 C2 和一只固定式三端稳压器(7805) 极为简捷方便地搭成的。 15 220V 交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流桥 D1 和滤波电 容 C1 的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805 的 VIN 和 GND 两端形成一个并不 十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变 化)。此直流电压经过 LM7805 的稳压后便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度 好的直流输出电压。本稳压电源可作为 TTL 电路或单片机电路的电源。三端稳压器 LM7805 是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、 性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的 一种单片式集成稳压器件。 D1 Bridge1 100uF/50V C1 T1 Trans Eq 100pF C2 VINVOUT GND VDD 220 LM7805AC/TC220 图 4.2 电源电路图 4.3 CAN 模块的硬件设计 4.3.1 CAN 总线介绍 CAN,全称为“Controller Area Network”,即控制器局域网,是国际上应用最广泛的现 场总线之一。最初,CAN 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯,在车载各电子控制装 置 ECU 之间交换信息,形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制 器、仪表装备、电子主干系统中,均嵌入 CAN 控制装置。 一个由 CAN 总线构成的单 一网络中,理论上可以挂接无数个节点。实际应用中,节点数目受网络硬件的电气特性 所限制。例如,当使用 Philips P82C250 作为 CAN 收发器时,同一网络中允许挂接 110 个节点。CAN 可提供高达 1Mbit/s 的数据传输速率,这使实时控制变得非常容易。另外,硬 件的错误检定特性也增强了 CAN 的抗电磁干扰能力。 CAN 最初出现在 80 年代末的汽车工业中,由德国 Bosch 公司最先提出。当时,由于 消费者对于汽车功能的要求越来越多,而这些功能的实现大多是基于电子操作的,这就 使得电子装置之间的通讯越来越复杂,同时意味着需要更多的连接信号线。提出 CAN 16 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯,减少不断增 加的信号线。于是,他们设计了一个单一的网络总线,所有的外围器件可以被挂接在该总 线上。1993 年,CAN 已成为国际标准 ISO11898(高速应用)和 ISO11519（低速应用） 。 CAN 是一种多主方式的串行通讯总线,基本设计规范要求有高的位速率,高抗电磁 干扰性,而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到 10Km 时,CAN 仍可提 供高达 50Kbit/s 的数据传输速率。 基于 CAN 总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性： 1).CAN 可以是对等结构，即多主机工作方式，网络上任意一个节点可以在任意时 刻主动地向 网络上其它节点发送信息，不分主从，通讯方式灵活。 2).CAN 网络上的节点可以分为不同的优先级，满足不同的实时需要。 3).CAN 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低 的节点自动停止发送，在网络负载很重的情况下不会出现网络瘫痪。 4).CAN 可以点对点、点对多点、点对网络的方式发送和接收数据，通讯距离最远 10 km(速率在 5 kbps 以下)，通信速率最高可达 1Mbps（此时通信距离最长为 40m） 。 5).CAN 采用的是短帧结构，每一帧的有效字节数为 8 个，具有 CRC 校验和其它 检测措施，数据出错几率小。CAN 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭功能，不 会影响总线上其它节点操作。 6).CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个；报文标识符可达 2032 种（CAN2.0A） ；而 CAN2.0B 的报文标识符几乎不受限制。 7).通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，无特殊要求，用户接口简单，容易构 成用户系统。 8).CAN 节点中均设有错误检测、标定和自检等强有力措施。检测错误的措施包括： 位检测错误、循环冗余校验、位填充、报文格式检查和应答错误检测。保证了很低的 数据出错率。 9).CAN 器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式，相当于未连接到总线驱动器上,这 样可降低系统功耗。其睡眠状态可借助任何总线激活或者由系统的内部条件唤醒。 CAN 得到 Motorola、Intel、Philip、Siemens、NEC 等公司的支持，CAN 的应用范 围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛地应用于分散控制系统。它在汽车领 域上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商,如 BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、 17 PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和 JAGUAR(美洲豹)等都采用了 CAN 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。 汽车内部网络由一系列称之为 ECU（电控单元）的作为网络节点的不同功能部件 构成。可分为动力、照明、操作、显示、安全、娱乐等多个子系统。汽车内部所具有 的控制器、执行器、检测仪器、传感器的数量很多，图 4.3 为基于 CAN 的汽车内部网 络的解决方案之一。10 变速器 C08AZx/HC12 发动机683xx 仪表板 HC08AZx 中央模块 HC12/683xx ABX HC12 （气节门） HC08AZx 方向盘 HC08AZx 司机座椅 HC08AZx 气囊 HC08AZx 顶棚 HC08AZx 车门 HC08AZx 后灯 HC08AZx 收音机 HC08AZx 车门 HC08AZx 空调 HC08AZx 动力系统： 250Kbps 车身： 125Kbps 图 4.3 汽车内部网络解决方案示例 典型的 CAN 总线节点的系统框图如图 4.4 所示： 18 图 4.4 CAN 总线节点图 4.3.2 PCA82C250 芯片介绍 PCA82C250 是 CAN 协议控制器和物理总线之间的接口，它主要是趋向于在汽车 的高速应用（1Mbps） ，还为 CAN 控制器提供差动传输能力总线和差动接收能力。 其特性如下： 满足 ISO-11898 标准物理层要求 支持 1 Mb/s 的运行速率 高压瞬态保护 斜率外部控制，减少 RFI 采用差分总线，具有很强的抗噪特性 自动热关断保护 短路保护（正负电池电压） 低电流待机操作 未上电节点或欠压不会影响 CAN 总线 可以连接高达 110 节点。 其内部结构框图如图 4.5 所示： 图 4.5 PCA82C250 内部框图 19 其引脚描述如表 4.1 所示。 表 4.1 PCA82C250 引脚描述 引脚编号引脚名称引脚功能说明 1TXD发送器数据输入 2GND接地 3VCC提供电压 4RXD接收器数据输出 5Vref参考输出电压 6CANLCAN 低电压 I/O 7CANHCAN 高电压 I/O 8RS斜率控制输入 4.3.3 CAN 模块硬件设计 为保护芯片 PCA82C250，在电源输入部分加磁珠，因为磁珠可用来消除叠加在直 流传输电平上的交流正弦波成分，专用于抑制电源线上的高频噪声和尖峰干扰,还具有 吸收静电脉冲的能力。其电路图如图 4.6 所示。而电路中的 C2 和 C4 是对电源具有滤 波作用。 C2 104 C4 104 CZ1 0 VDD GND VCCK 图 4.6 PCA82C250 芯片供电电路图 C1TX 和 C1RX 是 dsPIC30F4012 单片机的 CAN1 总线的接收和发送引脚，C1TX 直接与 PCA82C250 的 TXD 连接，而 C1RX 是发送数据信号的则需要接一个限流电阻 R6 后才能与 PCA82C250 的 RXD 连接。RS 引脚是通过外部电阻 R3 选择高速、斜率控 制或待机模式。其电路图如图 4.7 所示。电路中的电阻 R4,R5 是 CAN 总线的终端匹 配电阻，电容 C3 是起到滤波的作用。 20 C1TX C1RX GND R3 20K R4 Comment: 60 R5 60 TXD 1 GND 2 VCC 3 RXD 4 Vref 5 CNAL 6 CANH 7 RS 8 U2 PCA82C250 VCCK GNDCANH1 CANL1 C3 102 R6 1K 图 4.7 CAN 驱动硬件电路图 4.4 红外测距模块硬件设计 4.4.1 红外测距传感器介绍 红外发射和接收两部分。发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红 外线而不是可见光，如图 4.8 所示： 图 4.8 红外发射管 图 4.9 红外接收管 常用的红外发光二极管发出的红外线波长为 940nm 左右，外形与普通 5mm 发光 二极管相同，只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝色等三种。判断红外发光二极 管的好坏与判断普通二极管一样的方法。单只红外发光二极管的发射功率约 100mW。 红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定，而业余条件下，只能凭经验用拉距法 进行粗略判定。 接收电路的红外接收管是采用成品的一体化接收头，如图 4.9 所示。红外线一体 化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块，性能稳定、可靠。所以， 有了一体化接收头，人们不再制作接收放大电路，这样红外接收电路不仅简单而且可 靠性大大提高。 图 4.9 是常用的红外接收头的外形，有三只引脚，即电源正(VDD)、电源负(GND)和 数据输出(Out)。红外接收头的主要参数如下： 工作电压：4.85.3V 21 工作电流：1.72.7mA 接收频率：37.9kHz 峰值波长：980nm 静态输出：高电平 输出低电平：0.4V 输出高电平：接近工作电压 其内部框图如图 4.10 所示： 图 4.10 红外接收管内部框图 红外接收管的理想工作波形图如图 4.11 所示： 图 4.11 红外接收管理想工作波形图 4.4.2 红外测距硬件电路设计 红外测距子系统首先利用定时器对I/O口的输出进行控制，以此来产生37.9KHZ的 频率脉冲信号，当接收到反射回来的红外信号后产生一个低电平输入到输入捕捉引脚 IC7，使单片机捕获到红外往返所使用的时间，再根据所捕获到的时间乘以光速的一半 就可得到当前的车距。 1） 红外发射电路如图 4.12 所示，通过设置单片机的 RB3 口输出 37.9KHZ 的脉 22 冲信号，这信号再经三极管进行放大来增加驱动红外发射管的能力。 DS1 LED1 1K R25 Q1 NPN1 100 R24 SONIC_OUT VDD GND 图 4.12 红外发射电路 2） 红外光接收和处理原理如图 4.13 所示， 红外接 收电路 信号放 大电路 检波整 形电路 音频锁相译 码电路 图 4.13 红外接收和处理原理图 在红外接收电路中，信号的放大、解调、整形由红外遥控专用集成电路红外一体 接收头完成。它只对频率在 37.9KHZ 左右的红外调制信号进行放大、滤波、整形输出， 当没有频带内的信号输入时，输出信号始终为高电平，一旦收到指定的信号，信号输 出低电平，该低电平将触发输入捕捉引脚 IC7，即捕获到定时器所记下的时间。再根据 时间计算当前的车距。其电路图如图 4.14 所示： GND VDD SONIC_IN OUTVCC GND 图 4.14 红外光接收电路图 4.5 标准通信接口模块 4.5.1 串行数据接口标准介绍 RS-232、RS-422 与 RS-485 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会 （EIA）制订并发布的，RS-232 在 1962 年发布，命名为 EIA-232-E，作为工业标准， 以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422 由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之 23 不足而提出的。为改进 RS-232 通信距离短、速率低的缺点，RS-422 定义了一种平衡 通信接口，将传输速率提高到 10Mb/s，传输距离延长到 4000 英尺（速率低于 100kb/s 时），并允许在一条平衡总线上连接最多 10 个接收器。RS-422 是一种单机发送、多 机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 TIA/EIA-422-A 标准。为扩展应用范围，EIA 又于 1983 年在 RS-422 基础上制定了 RS-485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允 许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性， 扩展了总线共模范围，后命名为 TIA/EIA-485-A 标准。由于 EIA 提出的建议标准都是 以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以 RS 作前缀称谓。 其有关电气参数参见表 4.2。 表 4.2 RS-232、RS-422 与 RS-485 的主要电气参数 规 范RS-232RS-422RS-485 最大传输距离15m1200m（速率 100Kbps）1200m（速率 100Kbps） 最大传输速度20 Kbps10Mbps（距离 12m）10Mbps（距离 12m） 驱动器最小输出/V521.5 驱动器最大输出/V15106 接收器灵敏度/V30.20.2 最大驱动器数量1132 单位负载 最大接收器数量11032 单位负载 传输方式单端差分差分 为了让单片机与 PC 机能相互通信，必须让 TTL 电平与各串行数据接口标准的电平相 互转换，如图 4.15 所示： 电平转换电路 RXD TXD GND TXD RXD GND PC 串口 单片机串口 图 4.15 PC 与单片机电平转换示意图 24 4.5.2 RS-422 标准介绍 RS-422 数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其 中一线定义为 A，另一线定义为 B。 通常情况下，发送驱动器 A、B 之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电 平在-26V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地 C，而在 RS-422 中的“使能”端是 可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能” 端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与 “0”的第三态。 接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将 AA 与 BB 对应相连， 当在收端 AB 之间有大于+200mV 的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV 时，输出 负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在 200mV 至 6V 之间。 RS-422 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的 特性。典型的 RS-422 四线接口，实际上还有一根信号地线，共 5 根线。由于接收器采 用高输入阻抗和发送驱动器比 RS232 更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多 个接收节点，最多可接 10 个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve）， 从设备之间不能通信，所以 RS-422 支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为 4k， 故发端最大负载能力是 104k+100（终接电阻）。RS-422 四线接口由于采用单独的 发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按 软件方式（XON/XOFF 握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。 RS-422 的最大传输距离为 4000 英尺（约 1219 米），最大传输速率为 10Mb/s。其 平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在 100kb/s 速率以下，才可能达到最大传输距离。 只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般 100 米长的双绞线上所能获得的最 大传输速率仅为 1Mb/s。 RS-422 需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输 时可不需终接电阻，即一般在 300 米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆