基于P87C591的CAN總線超聲測距系統(tǒng)設(shè)計方案

一、系統(tǒng)概述

CAN（Controller Area Network）總線因其高可靠性和抗干擾能力，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、汽車電子等領(lǐng)域。在本設(shè)計中，基于P87C591微控制器開發(fā)了一種CAN總線超聲測距系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由主控模塊、超聲波發(fā)射與接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及CAN總線通信模塊構(gòu)成，實現(xiàn)了遠距離、多節(jié)點的實時超聲波測距。

二、主控芯片P87C591簡介

P87C591是飛利浦公司推出的一款基于8051內(nèi)核的微控制器，集成了CAN控制器模塊和豐富的I/O資源，適合工業(yè)自動化和分布式控制場景。

1. 芯片主要特性

• 內(nèi)核：兼容標準8051微控制器。

• 存儲器：32 KB的片上Flash存儲器，1 KB的RAM。

• CAN模塊：內(nèi)置全功能CAN 2.0B控制器，支持最大1 Mbps通信速率。

• I/O資源：34個可編程I/O引腳，支持多種外設(shè)擴展。

• 工作頻率：最高12 MHz。

• 工作電壓：+5 V供電。

2. 芯片在設(shè)計中的作用

• CAN通信控制：內(nèi)置的CAN控制器實現(xiàn)節(jié)點與總線的高效通信。

• 超聲波測距控制：利用I/O口控制超聲波發(fā)射與接收信號的觸發(fā)和檢測。

• 數(shù)據(jù)處理：處理回波信號的時間差計算，實現(xiàn)測距算法的核心運算。

三、系統(tǒng)功能與設(shè)計需求

系統(tǒng)需實現(xiàn)以下功能：

1. 通過超聲波實現(xiàn)多節(jié)點環(huán)境的實時測距，測距精度達到毫米級。

2. 利用CAN總線實現(xiàn)多節(jié)點間的數(shù)據(jù)共享，支持遠距離傳輸。

3. 提供故障診斷功能，確保系統(tǒng)可靠性。

設(shè)計需求包括：

• 測距范圍：0.1 m 至 5 m。

• 分辨率：1 mm。

• CAN通信速率：500 kbps。

• 節(jié)點數(shù)：支持至少16個節(jié)點的擴展。

四、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1. 硬件架構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖所示（假設(shè)繪制圖）：

1. 主控模塊：由P87C591微控制器負責處理所有核心邏輯，包括超聲波觸發(fā)、時間差計算和CAN通信。

2. 超聲波發(fā)射與接收模塊：由超聲波發(fā)射器和接收器構(gòu)成，用于實現(xiàn)測距信號的物理層采集。

3. 信號放大與整形模塊：對回波信號進行放大和整形，提高信號質(zhì)量。

4. CAN收發(fā)模塊：采用TJA1040 CAN收發(fā)器，與P87C591的CAN控制器配合完成數(shù)據(jù)傳輸。

5. 電源管理模塊：為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源支持。

2. 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)分為以下模塊：

1. CAN通信協(xié)議層：實現(xiàn)基于CAN 2.0B協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

2. 超聲測距算法層：包括發(fā)射信號控制、時間差計算和距離轉(zhuǎn)換。

3. 系統(tǒng)控制層：負責節(jié)點間數(shù)據(jù)交互和測距邏輯的總體調(diào)度。

五、設(shè)計過程

1. 超聲波測距模塊設(shè)計

超聲波測距模塊是系統(tǒng)的核心部分，主要利用聲波在空氣中的傳播速度計算距離：
$D = frac{V imes t}{2}$D=2V×t
其中，$D$D為距離，$V$V為聲波傳播速度（約343 m/s），$t$t為聲波發(fā)射到接收的時間差。

具體設(shè)計如下：

• 硬件電路設(shè)計：
  使用HC-SR04超聲波模塊。P87C591通過I/O引腳發(fā)出觸發(fā)信號，HC-SR04接收到信號后，開始發(fā)射超聲波，同時計時模塊啟動計時。當接收到回波時，模塊將回波信號反饋給P87C591停止計時。

• 信號處理：
  回波信號經(jīng)過放大器放大，由P87C591內(nèi)部定時器捕獲時間差。

2. CAN總線通信模塊設(shè)計

CAN總線模塊采用TJA1040收發(fā)器，具體設(shè)計包括：

• 硬件電路設(shè)計：
  P87C591的CAN引腳通過TJA1040與CAN總線相連，TJA1040提供信號的電氣接口和總線抗干擾能力。

• 通信協(xié)議設(shè)計：
  每個節(jié)點有唯一的CAN ID，用于區(qū)分節(jié)點信息。傳輸幀分為數(shù)據(jù)幀、控制幀和錯誤幀，確保數(shù)據(jù)完整性和實時性。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計

• 主程序流程：

1. 系統(tǒng)初始化：初始化P87C591的各個模塊，包括定時器、CAN控制器和I/O口。

2. 超聲波觸發(fā)：定時發(fā)送觸發(fā)信號并記錄發(fā)射時間。

3. 回波時間捕獲：接收回波信號，計算時間差并轉(zhuǎn)換為距離。

4. 數(shù)據(jù)傳輸：通過CAN總線發(fā)送測距數(shù)據(jù)至主節(jié)點。

• 關(guān)鍵算法實現(xiàn)：

• 距離計算算法

• 數(shù)據(jù)幀打包與解碼

• 錯誤處理與容錯機制

六、詳細設(shè)計實現(xiàn)

1. 主控芯片P87C591的配置

• 配置CAN控制器工作模式，設(shè)置通信速率為500 kbps。

• 配置定時器用于時間差測量，定時器精度設(shè)置為1 μs。

• I/O口控制超聲波發(fā)射模塊，通過軟件控制實現(xiàn)周期觸發(fā)。

2. CAN通信的節(jié)點設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)置主節(jié)點和從節(jié)點：

• 主節(jié)點：接收從節(jié)點發(fā)送的測距數(shù)據(jù)，并通過CAN總線向其他節(jié)點廣播。

• 從節(jié)點：測量距離并定期將數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點。

七、測試與優(yōu)化

測試步驟包括：

1. 單節(jié)點測試：驗證單個節(jié)點的測距精度和通信穩(wěn)定性。

2. 多節(jié)點測試：測試多節(jié)點環(huán)境下的CAN通信性能。

3. 抗干擾測試：通過增加外界干擾，驗證系統(tǒng)可靠性。

優(yōu)化方法：

1. 調(diào)整CAN通信參數(shù)以提高總線利用率。

2. 使用濾波器優(yōu)化超聲波信號質(zhì)量。

3. 提高回波信號處理算法的精度。

八、總結(jié)

本設(shè)計基于P87C591微控制器，結(jié)合CAN總線和超聲波測距技術(shù)，實現(xiàn)了多節(jié)點實時測距系統(tǒng)。設(shè)計中利用P87C591的內(nèi)置CAN控制器簡化了硬件電路，優(yōu)化了系統(tǒng)的可靠性和通信性能，適用于工業(yè)自動化、倉儲管理等場景。