基于LIN總線的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王錦堅(jiān)，洪添勝

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

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(wèn)題，為了解決汽車后視鏡存在的后視盲區(qū)問(wèn)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(shí)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(guó)博世公司開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線CAN以來(lái)，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(chǎng)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(chǎng)的LIN總線也存在一些不足[2]。

本設(shè)計(jì)正是基于以上的應(yīng)用背景設(shè)計(jì)，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(shì)；同時(shí)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(shì)。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(jì)思路

本設(shè)計(jì)主要由超聲波測(cè)距和LIN總線通信兩部分組成。

(1)超聲波測(cè)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(guò)程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)產(chǎn)生20個(gè)0.5 ms脈沖信號(hào)，頻率為 40 kHz，自動(dòng)避過(guò)大約為 2 ms的盲區(qū)時(shí)間，然后開始計(jì)時(shí)，脈沖原始信號(hào)為5 V，該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大后，可驅(qū)動(dòng)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(duì)，因此，接收后可將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(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(gè)TTL電平的回波信號(hào)。該信號(hào)輸入到單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，停止單片機(jī)的定時(shí)器，然后讀出計(jì)時(shí)器的時(shí)間差，得到超聲波發(fā)射出去碰到阻礙物回射的時(shí)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。

圖1 超聲波測(cè)距原理圖

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

圖2 LIN總線通信原理圖

2 超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測(cè)距模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 發(fā)射電路

發(fā)射模塊的主要作用是對(duì)超聲波發(fā)射探頭進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)，由單片機(jī)引腳輸出40 kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)CD4049轉(zhuǎn)變成24 V電壓信號(hào)激勵(lì)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(duì)有用的信號(hào)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(jì)[3]。

帶通濾波電路：在傳感器接收的信號(hào)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(hào)的同時(shí)，也會(huì)將一部分的噪聲信號(hào)同時(shí)放大，并沒有提高輸入信號(hào)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(wú)用頻率干擾信號(hào)[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(guò)此濾波電路后，40 kHz左右的有用回波信號(hào)被保留，而無(wú)用信號(hào)被削弱，為下一級(jí)的檢波電路提供較高信噪比的輸入信號(hào)。

2.1.3 檢測(cè)電路

接收傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)上述放大濾波電路后，就可以進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。其目的是確定接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，這是整個(gè)電路中的關(guān)鍵，因?yàn)樗粌H決定系統(tǒng)的測(cè)量精度，還關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能正常工作[6]。

通過(guò)調(diào)整 R9、R10，阻值產(chǎn)生比較所需要的參考電壓，即

由于LM393具有集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)，所以在電源與輸出之間，加1個(gè)上拉電阻、電容C5起到簡(jiǎn)單濾波作用。具體設(shè)計(jì)時(shí)考慮到前級(jí)放大濾波電路輸出峰值為5 V左右連續(xù)正弦波信號(hào)的疊加，所以分別取R9=20 kΩ、=1 kΩ，則參考電壓，上拉電阻 R11＝1 kΩ，電容 C5=1 000 pF。當(dāng)進(jìn)入比較器的輸入信號(hào)高于238 mV時(shí)，比較器輸出電壓為5 V；輸入信號(hào)低于238 mV時(shí)，比較器輸出電壓為0 V，利用此邊沿跳變來(lái)控制單片機(jī)外部中斷，停止計(jì)時(shí)。

2.2 超聲波倒車?yán)走_(dá)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了AT89S52單片機(jī)，用單片機(jī)匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)軟件編程。整個(gè)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(gè)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(hào)遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測(cè)電路產(chǎn)生外中斷信號(hào)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(chǎng)保護(hù)，再把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離值，同時(shí)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后送到輸出顯示。

定時(shí)器中斷子程序主要完成計(jì)時(shí)工作，由于51 μ單片機(jī)是 16位定時(shí)器，最大計(jì)時(shí)時(shí)間為65 536 μs，當(dāng)測(cè)量的距離很遠(yuǎn)的時(shí)候，定時(shí)器就會(huì)發(fā)生溢出，所以必須對(duì)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(shí)由于電路的測(cè)量距離有限(最遠(yuǎn)為5 m)，當(dāng)測(cè)量距離超出5 m時(shí)，接收探頭就不能檢測(cè)回波，即不能產(chǎn)出外部中斷，更不可能關(guān)閉定時(shí)器。

3 LIN總線模塊設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)原理

整個(gè)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(jì)需要5 V、12 V電源，為了節(jié)省外接電源、簡(jiǎn)化電路的外接線，采用了單電源設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)的電源輸入為12 V，用于TJA1020的供電。另外，通過(guò)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(bào)文頭接收判斷方法不同。(1)查詢方式硬件電路簡(jiǎn)單，對(duì)時(shí)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(shí)間都花費(fèi)在對(duì)幀報(bào)文頭的等待查詢上，系統(tǒng)資源利用率低；(2)中斷方式對(duì)查詢方式的不足之處加以改進(jìn)和提高，間隔場(chǎng)、同步字節(jié)場(chǎng)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(duì)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(jì)采用中斷方式接收。

3.2 軟件設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(guò)程發(fā)送同步間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)、標(biāo)識(shí)符場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)和校驗(yàn)和場(chǎng)；如果沒有，則按照順序發(fā)送報(bào)文頭，每個(gè)ID對(duì)應(yīng)一個(gè)報(bào)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。

圖3 主節(jié)點(diǎn)程序框圖

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(gè)ID信箱，將自己在總線獲得的ID放在里面，每當(dāng)識(shí)別到有報(bào)文幀來(lái)的時(shí)候，提取報(bào)文頭里的ID與本身信箱里的ID進(jìn)行對(duì)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(duì)接收總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并在必要的時(shí)候充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的作用，將收集到的LIN信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他總線信號(hào)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(shí)符，對(duì)總線上所有的信號(hào)進(jìn)行接收，并且根據(jù)校驗(yàn)和場(chǎng)的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，如果沒有，則將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)；如果有，則產(chǎn)生提醒信號(hào)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(cè)距誤差及分析

超聲波測(cè)距在室溫下進(jìn)行測(cè)試，其數(shù)據(jù)如表1所示。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下測(cè)量結(jié)果有如下規(guī)律：

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

(2)測(cè)量誤差隨著所測(cè)距離的增大而增大。

其中的誤差有2種：(1)固定誤差，測(cè)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(cè)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(guò)閾值的時(shí)間與超聲波實(shí)際到達(dá)探頭的時(shí)間不同引起的。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差

4.2 結(jié)合LIN總線分析儀進(jìn)行通信測(cè)試

使用瑞典Kvaser公司生產(chǎn)的LIN總線分析儀，能夠檢測(cè)出符合LIN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，并在電腦顯示中，可以對(duì)LIN報(bào)文的每一部分進(jìn)行分析。測(cè)試系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)板與LIN總線分析儀KvaserLeafProfessional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(bào)文幀的內(nèi)容，其中Data為數(shù)據(jù)場(chǎng)，顯示最長(zhǎng)8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，DLC為數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度，范圍為 0～8，MsgID是接收到的幀的標(biāo)識(shí)符，用十進(jìn)制標(biāo)識(shí)。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(hào)，根據(jù)LIN總線協(xié)議，從節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具備測(cè)試通過(guò)同步場(chǎng)測(cè)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(cè)試出來(lái)的都是總線上的波特率。本設(shè)計(jì)的波特率是4 800 b/s，測(cè)試結(jié)果為4 801 b/s，可見誤差為1。Time為收到報(bào)文的時(shí)間，PA為標(biāo)識(shí)符，CS為校驗(yàn)和場(chǎng)數(shù)據(jù)，由此可以計(jì)算出通信過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸是否出錯(cuò)。

圖4 Kvaser Leaf Professional所測(cè)數(shù)據(jù)

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(huì)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(jià)值。由于目前國(guó)內(nèi)汽車總線正處于發(fā)展階段，相比歐美國(guó)家來(lái)說(shuō)存在一定的差距，本設(shè)計(jì)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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