基于P87C591的CAN總線超聲測距系統設計方案

一、系統概述

CAN（Controller Area Network）總線因其高可靠性和抗干擾能力，被廣泛應用于工業自動化、汽車電子等領域。在本設計中，基于P87C591微控制器開發了一種CAN總線超聲測距系統。系統主要由主控模塊、超聲波發射與接收模塊、數據處理模塊及CAN總線通信模塊構成，實現了遠距離、多節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，適合工業自動化和分布式控制場景。

1. 芯片主要特性

• 內核：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，支持多種外設擴展。

• 工作頻率：最高12 MHz。

• 工作電壓：+5 V供電。

2. 芯片在設計中的作用

• CAN通信控制：內置的CAN控制器實現節點與總線的高效通信。

• 超聲波測距控制：利用I/O口控制超聲波發射與接收信號的觸發和檢測。

• 數據處理：處理回波信號的時間差計算，實現測距算法的核心運算。

三、系統功能與設計需求

系統需實現以下功能：

1. 通過超聲波實現多節點環境的實時測距，測距精度達到毫米級。

2. 利用CAN總線實現多節點間的數據共享，支持遠距離傳輸。

3. 提供故障診斷功能，確保系統可靠性。

設計需求包括：

• 測距范圍：0.1 m 至 5 m。

• 分辨率：1 mm。

• CAN通信速率：500 kbps。

• 節點數：支持至少16個節點的擴展。

四、系統架構設計

1. 硬件架構

系統的硬件結構如圖所示（假設繪制圖）：

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、時間差計算和CAN通信。

2. 超聲波發射與接收模塊：由超聲波發射器和接收器構成，用于實現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，提高信號質量。

4. CAN收發模塊：采用TJA1040 CAN收發器，與P87C591的CAN控制器配合完成數據傳輸。

5. 電源管理模塊：為系統提供穩定的電源支持。

2. 軟件架構

軟件架構分為以下模塊：

1. CAN通信協議層：實現基于CAN 2.0B協議的數據發送和接收。

2. 超聲測距算法層：包括發射信號控制、時間差計算和距離轉換。

3. 系統控制層：負責節點間數據交互和測距邏輯的總體調度。

五、設計過程

1. 超聲波測距模塊設計

超聲波測距模塊是系統的核心部分，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為聲波發射到接收的時間差。

具體設計如下：

• 硬件電路設計：
  使用HC-SR04超聲波模塊。P87C591通過I/O引腳發出觸發信號，HC-SR04接收到信號后，開始發射超聲波，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：
  回波信號經過放大器放大，由P87C591內部定時器捕獲時間差。

2. CAN總線通信模塊設計

CAN總線模塊采用TJA1040收發器，具體設計包括：

• 硬件電路設計：
  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。

• 通信協議設計：
  每個節點有唯一的CAN ID，用于區分節點信息。傳輸幀分為數據幀、控制幀和錯誤幀，確保數據完整性和實時性。

3. 系統軟件設計

• 主程序流程：

1. 系統初始化：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：定時發送觸發信號并記錄發射時間。

3. 回波時間捕獲：接收回波信號，計算時間差并轉換為距離。

4. 數據傳輸：通過CAN總線發送測距數據至主節點。

• 關鍵算法實現：

• 距離計算算法

• 數據幀打包與解碼

• 錯誤處理與容錯機制

六、詳細設計實現

1. 主控芯片P87C591的配置

• 配置CAN控制器工作模式，設置通信速率為500 kbps。

• 配置定時器用于時間差測量，定時器精度設置為1 μs。

• I/O口控制超聲波發射模塊，通過軟件控制實現周期觸發。

2. CAN通信的節點設計

系統設置主節點和從節點：

• 主節點：接收從節點發送的測距數據，并通過CAN總線向其他節點廣播。

• 從節點：測量距離并定期將數據發送到主節點。

七、測試與優化

測試步驟包括：

1. 單節點測試：驗證單個節點的測距精度和通信穩定性。

2. 多節點測試：測試多節點環境下的CAN通信性能。

3. 抗干擾測試：通過增加外界干擾，驗證系統可靠性。

優化方法：

1. 調整CAN通信參數以提高總線利用率。

2. 使用濾波器優化超聲波信號質量。

3. 提高回波信號處理算法的精度。

八、總結

本設計基于P87C591微控制器，結合CAN總線和超聲波測距技術，實現了多節點實時測距系統。設計中利用P87C591的內置CAN控制器簡化了硬件電路，優化了系統的可靠性和通信性能，適用于工業自動化、倉儲管理等場景。