摘  要： 采用AT89S52作為控制器,，連接并控制自主設(shè)計的超聲波倒車?yán)走_(dá)的接收與發(fā)送模塊,。控制器將倒車?yán)走_(dá)模塊的數(shù)據(jù)以LIN協(xié)議規(guī)定的報文格式發(fā)送到LIN總線,，通信過程按照LIN協(xié)議規(guī)定的一主多從的通信方式,。實(shí)驗(yàn)表明,，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸符合LIN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，能夠很好地與其他符合LIN標(biāo)準(zhǔn)的汽車電子設(shè)備進(jìn)行通信,，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價值,。
關(guān)鍵詞： LIN總線；倒車?yán)走_(dá),；超聲波

    隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高,，城市里汽車的數(shù)量迅速增加，出現(xiàn)了交通擁擠,、停車難等問題,，為了解決汽車后視鏡存在的后視盲區(qū)問題，免除駕駛員的視野死角和視線模糊的缺陷,，減少汽車倒車時的碰撞事故,，各種汽車倒車?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生[1]。自從20世紀(jì)80年代中期德國博世公司開發(fā)現(xiàn)場總線CAN以來,，發(fā)展迅速并引起廣泛關(guān)注,，目前CAN總線已經(jīng)成為汽車總線推廣、應(yīng)用的主流,。
    然而,，由于CAN總線復(fù)雜的仲裁機(jī)制使其在低端市場的生產(chǎn)成本受到了挑戰(zhàn)；另外,，在汽車使用中,，其穩(wěn)定性相比另一種專門應(yīng)用于低端市場的LIN總線也存在一些不足[2]。
    本設(shè)計正是基于以上的應(yīng)用背景設(shè)計,，與傳統(tǒng)的單獨(dú)倒車系統(tǒng)相比,，在兼容性和汽車布線方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢；同時與主流的CAN總線相比在成本和穩(wěn)定性方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢,。所以LIN總線做為CAN總線的補(bǔ)充和輔助總線，在倒車?yán)走_(dá),、車燈控制等低端的應(yīng)用必將受到更加廣泛的關(guān)注,。
1 系統(tǒng)的整體設(shè)計思路
    本設(shè)計主要由超聲波測距和LIN總線通信兩部分組成,。
    (1)超聲波測距。由探頭,、發(fā)射電路、接收電路、選頻電路和單片機(jī)處理組成,。主要過程是：單片機(jī)產(chǎn)生20個0.5 ms脈沖信號,，頻率為40 kHz，自動避過大約為2 ms的盲區(qū)時間,，然后開始計時,，脈沖原始信號為5 V，該信號經(jīng)過運(yùn)放放大后,，可驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)出15 V,、40 kHz的脈沖超聲波。由于接收頭與發(fā)射頭配對,，因此,，接收后可將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺?jīng)運(yùn)算放大后加至高通有源濾波電路濾除低頻雜波,，最后產(chǎn)生一個TTL電平的回波信號,。該信號輸入到單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，停止單片機(jī)的定時器,，然后讀出計時器的時間差,，得到超聲波發(fā)射出去碰到阻礙物回射的時間差，再根據(jù)公式d=v*t/2得出距離障礙物的距離,。原理框圖如圖1所示,。

    (2)LIN總線通信。將超聲波測距得到的數(shù)據(jù)通過LIN總線的方式發(fā)送出去,，并產(chǎn)生不同頻率的報警提示,，電路由LIN收發(fā)器、單片機(jī)和報警電路3部分組成,。單片機(jī)接收超聲波測距電路傳回的數(shù)據(jù),，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)判斷到有障礙物的時候,，通過報警電路產(chǎn)生報警提示,。當(dāng)距離障礙物較遠(yuǎn)時，報警聲音的間斷比較緩慢,；當(dāng)距離障礙物較近時,，報警聲音比較急促。數(shù)據(jù)部分則主要通過LIN總線收發(fā)器產(chǎn)生符合LIN總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的信號進(jìn)行通信,。其主要框圖如圖2所示,。

2 超聲波測距模塊的設(shè)計
2.1 超聲波測距模塊的硬件設(shè)計
2.1.1 發(fā)射電路
    發(fā)射模塊的主要作用是對超聲波發(fā)射探頭進(jìn)行功率驅(qū)動，由單片機(jī)引腳輸出40 kHz的脈沖信號,，經(jīng)CD4049轉(zhuǎn)變成24 V電壓信號激勵超聲波探頭,，從而產(chǎn)生頻率為40 kHz的超聲波并發(fā)射出去,。
2.1.2 接收電路
    前端放大電路：前置放大電路單元的作用是對有用的信號進(jìn)行放大，并抑制其他的噪聲和干擾,，從而達(dá)到最大信噪比,，以利于后續(xù)電路的設(shè)計[3]。
    帶通濾波電路：在傳感器接收的信號中,，除了障礙物反射的回波外,，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲。而前端放大電路在放大有用信號的同時,，也會將一部分的噪聲信號同時放大,，并沒有提高輸入信號的信噪比[4]。由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高,，輸出阻抗又低,，構(gòu)成有源濾波電路后仍具有一定的電壓放大和緩沖作用，所以采用有源濾波電路抑制無用頻率干擾信號[5],。
    由于在本系統(tǒng)中,，總噪聲包括在低頻段的室內(nèi)環(huán)境噪聲和50 Hz工頻干擾，以及在高頻率段的接收機(jī)內(nèi)部噪聲,。故選用由TL082運(yùn)算放大器以及外圍電阻電容構(gòu)成的帶通濾波電路,。經(jīng)過此濾波電路后，40 kHz左右的有用回波信號被保留,，而無用信號被削弱,，為下一級的檢波電路提供較高信噪比的輸入信號。
2.1.3 檢測電路
    接收傳感器輸出信號經(jīng)過上述放大濾波電路后,，就可以進(jìn)行信號檢測,。其目的是確定接收信號的到達(dá)時間，這是整個電路中的關(guān)鍵,，因?yàn)樗粌H決定系統(tǒng)的測量精度,，還關(guān)系到整個系統(tǒng)是否能正常工作[6]。

2.2 超聲波倒車?yán)走_(dá)的軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)采用了AT89S52單片機(jī),，用單片機(jī)匯編語言實(shí)現(xiàn)軟件編程,。整個系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、子程序,、中斷服務(wù)子程序3個主要部分,。
    中斷服務(wù)程序響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷，在系統(tǒng)主程序中,，發(fā)射的40 kHz脈沖信號遇到障礙物反射后,，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號至單片機(jī)。在中斷服務(wù)程序中,，首先進(jìn)行必要的現(xiàn)場保護(hù),，再把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計數(shù)值讀出并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，計算得到相應(yīng)的距離值，同時轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制,，最后送到輸出顯示,。
    定時器中斷子程序主要完成計時工作,，由于51 μ單片機(jī)是16位定時器,，最大計時時間為65 536 μs，當(dāng)測量的距離很遠(yuǎn)的時候,，定時器就會發(fā)生溢出,，所以必須對溢出中斷進(jìn)行相應(yīng)地設(shè)置才能使得單片機(jī)正常工作。同時由于電路的測量距離有限(最遠(yuǎn)為5 m),，當(dāng)測量距離超出5 m時,，接收探頭就不能檢測回波，即不能產(chǎn)出外部中斷,，更不可能關(guān)閉定時器,。
3 LIN總線模塊設(shè)計
3.1 硬件設(shè)計原理
    整個節(jié)點(diǎn)的主控部分是由控制器AT89S52、LIN收發(fā)器TJA1020組成,。本設(shè)計需要5 V,、12 V電源，為了節(jié)省外接電源,、簡化電路的外接線,，采用了單電源設(shè)計，即系統(tǒng)的電源輸入為12 V,，用于TJA1020的供電,。另外，通過LM7805穩(wěn)壓管12 V變?yōu)? V,，用于提供單片機(jī)和LCD液晶顯示屏的電源,。單片機(jī)的P3.0(RXD)和P3.1(TXD)分別連接TJA1020的RXD、TXD管腳,，用于發(fā)送接收數(shù)據(jù),，并把數(shù)據(jù)顯示在LCD上，TJA1020的LIN管腳接DB9針接口的7腳,，而DB9針接口則可以直接與Kvaser LIN總線分析儀連接,，便于與上位機(jī)進(jìn)行直接通信。
    基于單片機(jī)構(gòu)成的LIN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方案有查詢,、中斷2種方式,，其區(qū)別在于報文頭接收判斷方法不同。(1)查詢方式硬件電路簡單,，對時鐘要求比較高,，系統(tǒng)中斷的種類和次數(shù)少,，程序運(yùn)行比較穩(wěn)定。但不足的是系統(tǒng)大部分時間都花費(fèi)在對幀報文頭的等待查詢上,，系統(tǒng)資源利用率低,；(2)中斷方式對查詢方式的不足之處加以改進(jìn)和提高，間隔場,、同步字節(jié)場的接收完全采用中斷方式進(jìn)行,。中斷方式的優(yōu)點(diǎn)是對主程序運(yùn)行的影響較小，系統(tǒng)的資源利用率高,。不足的是增加了單片機(jī)的外圍電路,，硬件較復(fù)雜。綜合以上特點(diǎn),，本設(shè)計采用中斷方式接收,。
3.2 軟件設(shè)計原理
    LIN總線通信系統(tǒng)由主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)組成，主節(jié)點(diǎn)包括主任務(wù),、同時也可以包括從任務(wù),；從節(jié)點(diǎn)則只能包括從任務(wù)，整個通信是由主任務(wù)發(fā)起的,。首先主節(jié)點(diǎn)查詢本身的超聲波倒車?yán)走_(dá)是否需要數(shù)據(jù)傳輸,，如果有，則將數(shù)據(jù)裝進(jìn)LIN數(shù)據(jù)信箱,，然后按照LIN通信的過程發(fā)送同步間隔場,、同步場、標(biāo)識符場,、數(shù)據(jù)場和校驗(yàn)和場,；如果沒有，則按照順序發(fā)送報文頭,，每個ID對應(yīng)一個報文頭,，然后總線等待從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)。程序框圖如圖3所示,。

    從節(jié)點(diǎn)包括2類：(1)帶有倒車?yán)走_(dá)的從節(jié)點(diǎn),，它有1個ID信箱，將自己在總線獲得的ID放在里面,，每當(dāng)識別到有報文幀來的時候,，提取報文頭里的ID與本身信箱里的ID進(jìn)行對比。如果相同則將采集到的超聲波數(shù)據(jù)裝進(jìn)數(shù)據(jù)信箱,，然后把數(shù)據(jù)做為數(shù)據(jù)響應(yīng)發(fā)送出去,；否則保持沉默，不發(fā)送任何數(shù)據(jù)。(2)不帶倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的從節(jié)點(diǎn),，其主要功能是對接收總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,，并在必要的時候充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的作用，將收集到的LIN信號轉(zhuǎn)換成其他總線信號進(jìn)行下一步的傳輸,，其本身并不發(fā)送數(shù)據(jù),，所以該ID定義全局的標(biāo)識符，對總線上所有的信號進(jìn)行接收,，并且根據(jù)校驗(yàn)和場的數(shù)據(jù),，分析數(shù)據(jù)傳輸過程是否出現(xiàn)錯誤，如果沒有,，則將數(shù)據(jù)顯示出來,；如果有，則產(chǎn)生提醒信號并將數(shù)據(jù)丟棄掉,。
4 倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析
4.1 超聲波測距誤差及分析
    超聲波測距在室溫下進(jìn)行測試，其數(shù)據(jù)如表1所示,。經(jīng)過多次測量發(fā)現(xiàn),，在同一溫度下測量結(jié)果有如下規(guī)律:
  

    (1)對于同一距離進(jìn)行多次測量取平均值的方法，測試范圍在0.4～1.2之間精度較好,。

    (2)測量誤差隨著所測距離的增大而增大,。
    其中的誤差有2種:(1)固定誤差，測量的起始位置與探頭的壓電晶片所在位置之間的距離,，這種誤差不隨測量環(huán)境和距離的變化而變化,；(2)可變誤差，隨著距離的增大而增大,，主要是由接收超聲波越過閾值的時間與超聲波實(shí)際到達(dá)探頭的時間不同引起的,。　　
4.2 結(jié)合LIN總線分析儀進(jìn)行通信測試
    使用瑞典Kvaser公司生產(chǎn)的LIN總線分析儀,，能夠檢測出符合LIN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的信號,，并在電腦顯示中，可以對LIN報文的每一部分進(jìn)行分析,。測試系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)板與LIN總線分析儀Kvaser Leaf Professional相連接,、Kvaser Leaf Professional與電腦相連接，在電腦端采用NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行編程,，并將數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上面,。圖4所示為采用NI公司LabVIEW軟件自行編寫的LIN數(shù)據(jù)接收界面，能夠接收LIN總線的數(shù)據(jù)并顯示在界面上,，可以清晰地看到報文幀的內(nèi)容,，其中Data為數(shù)據(jù)場，顯示最長8個字節(jié)的數(shù)據(jù),，DLC為數(shù)據(jù)場長度,，范圍為0~8,，MsgID是接收到的幀的標(biāo)識符，用十進(jìn)制標(biāo)識,。圖4中的ID為50,，即0X32，BR表示接收到幀的波特率,，由于采用從節(jié)點(diǎn)接收信號,，根據(jù)LIN總線協(xié)議，從節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具備測試通過同步場測試通信波特率的能力,。所以在途中不管選擇多大的波特率,，測試出來的都是總線上的波特率。本設(shè)計的波特率是4 800 b/s,，測試結(jié)果為4 801 b/s,，可見誤差為1。Time為收到報文的時間,，PA為標(biāo)識符,，CS為校驗(yàn)和場數(shù)據(jù)，由此可以計算出通信過程數(shù)據(jù)傳輸是否出錯,。

    本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與瑞典Kvaser公司的LIN總線分析儀相互進(jìn)行通信,，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸符合LIN協(xié)會規(guī)定的LIN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，能夠很好地與其他符合LIN標(biāo)準(zhǔn)的汽車電子設(shè)備進(jìn)行通信,，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價值,。由于目前國內(nèi)汽車總線正處于發(fā)展階段，相比歐美國家來說存在一定的差距,，本設(shè)計雖然基本上實(shí)現(xiàn)了LIN總線通信的功能,，但與標(biāo)準(zhǔn)的LIN協(xié)議通信還有一定的距離。
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