基于P87C591的CAN總線超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)化、汽車電子等領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)中，基于P87C591微控制器開(kāi)發(fā)了一種CAN總線超聲測(cè)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(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)超聲波測(cè)距。

二、主控芯片P87C591簡(jiǎn)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(dòng)化和分布式控制場(chǎng)景。

1. 芯片主要特性

• 內(nèi)核：兼容標(biāo)準(zhǔn)8051微控制器。

• 存儲(chǔ)器：32 KB的片上Flash存儲(chǔ)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(gè)可編程I/O引腳，支持多種外設(shè)擴(kuò)展。

• 工作頻率：最高12 MHz。

• 工作電壓：+5 V供電。

2. 芯片在設(shè)計(jì)中的作用

• CAN通信控制：內(nèi)置的CAN控制器實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與總線的高效通信。

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

• 數(shù)據(jù)處理：處理回波信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算，實(shí)現(xiàn)測(cè)距算法的核心運(yùn)算。

三、系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)需求

系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1. 通過(guò)超聲波實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)測(cè)距，測(cè)距精度達(dá)到毫米級(jí)。

2. 利用CAN總線實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)共享，支持遠(yuǎn)距離傳輸。

3. 提供故障診斷功能，確保系統(tǒng)可靠性。

設(shè)計(jì)需求包括：

• 測(cè)距范圍：0.1 m 至 5 m。

• 分辨率：1 mm。

• CAN通信速率：500 kbps。

• 節(jié)點(diǎn)數(shù)：支持至少16個(gè)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。

四、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

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(fù)責(zé)處理所有核心邏輯，包括超聲波觸發(fā)、時(shí)間差計(jì)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(shí)現(xiàn)測(cè)距信號(hào)的物理層采集。

3. 信號(hào)放大與整形模塊：對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大和整形，提高信號(hào)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(shí)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(cè)距算法層：包括發(fā)射信號(hào)控制、時(shí)間差計(jì)算和距離轉(zhuǎn)換。

3. 系統(tǒng)控制層：負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交互和測(cè)距邏輯的總體調(diào)度。

五、設(shè)計(jì)過(guò)程

1. 超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)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(jì)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(shí)間差。

具體設(shè)計(jì)如下：

• 硬件電路設(shè)計(jì)：
  使用HC-SR04超聲波模塊。P87C591通過(guò)I/O引腳發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，HC-SR04接收到信號(hào)后，開(kāi)始發(fā)射超聲波，同時(shí)計(jì)時(shí)模塊啟動(dòng)計(jì)時(shí)。當(dāng)接收到回波時(shí)，模塊將回波信號(hào)反饋給P87C591停止計(jì)時(shí)。

• 信號(hào)處理：
  回波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大，由P87C591內(nèi)部定時(shí)器捕獲時(shí)間差。

2. CAN總線通信模塊設(shè)計(jì)

CAN總線模塊采用TJA1040收發(fā)器，具體設(shè)計(jì)包括：

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

• 通信協(xié)議設(shè)計(jì)：
  每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一的CAN ID，用于區(qū)分節(jié)點(diǎn)信息。傳輸幀分為數(shù)據(jù)幀、控制幀和錯(cuò)誤幀，確保數(shù)據(jù)完整性和實(shí)時(shí)性。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

• 主程序流程：

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

2. 超聲波觸發(fā)：定時(shí)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)并記錄發(fā)射時(shí)間。

3. 回波時(shí)間捕獲：接收回波信號(hào)，計(jì)算時(shí)間差并轉(zhuǎn)換為距離。

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

• 關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn)：

• 距離計(jì)算算法

• 數(shù)據(jù)幀打包與解碼

• 錯(cuò)誤處理與容錯(cuò)機(jī)制

六、詳細(xì)設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)器用于時(shí)間差測(cè)量，定時(shí)器精度設(shè)置為1 μs。

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

2. CAN通信的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)置主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)：

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

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

七、測(cè)試與優(yōu)化

測(cè)試步驟包括：

1. 單節(jié)點(diǎn)測(cè)試：驗(yàn)證單個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)距精度和通信穩(wěn)定性。

2. 多節(jié)點(diǎn)測(cè)試：測(cè)試多節(jié)點(diǎn)環(huán)境下的CAN通信性能。

3. 抗干擾測(cè)試：通過(guò)增加外界干擾，驗(yàn)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(hào)質(zhì)量。

3. 提高回波信號(hào)處理算法的精度。

八、總結(jié)

本設(shè)計(jì)基于P87C591微控制器，結(jié)合CAN總線和超聲波測(cè)距技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)距系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中利用P87C591的內(nèi)置CAN控制器簡(jiǎn)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(dòng)化、倉(cāng)儲(chǔ)管理等場(chǎng)景。