摘  要： 采用AT89S52作為控制器，連接并控制自主設計的超聲波倒車雷達的接收與發(fā)送模塊。控制器將倒車雷達模塊的數(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。實驗表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸符合LIN協(xié)議標準，能夠很好地與其他符合LIN標準的汽車電子設備進行通信，具有較好的實際應用價值。
關(guān)鍵詞： LIN總線；倒車雷達；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，各種汽車倒車雷達應運而生[1]。自從20世紀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、應用的主流。
    然而，由于CAN總線復雜的仲裁機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用于低端市場的LIN總線也存在一些不足[2]。
    本設計正是基于以上的應用背景設計，與傳統(tǒng)的單獨倒車系統(tǒng)相比，在兼容性和汽車布線方面具有強大的優(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?shù)膬?yōu)勢。所以LIN總線做為CAN總線的補充和輔助總線，在倒車雷達、車燈控制等低端的應用必將受到更加廣泛的關(guān)注。
1 系統(tǒng)的整體設計思路
    本設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、選頻電路和單片機處理組成。主要過程是：單片機產(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產(chǎn)生外部中斷，停止單片機的定時器，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、單片機和報警電路3部分組成。單片機接收超聲波測距電路傳回的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理。當判斷到有障礙物的時候，通過報警電路產(chǎn)生報警提示。當距離障礙物較遠時，報警聲音的間斷比較緩慢；當距離障礙物較近時，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)議標準的信號進行通信。其主要框圖如圖2所示。

2 超聲波測距模塊的設計
2.1 超聲波測距模塊的硬件設計
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)射探頭進行功率驅(qū)動，由單片機引腳輸出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行放大，并抑制其他的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設計[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內(nèi)部噪聲。故選用由TL082運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，就可以進行信號檢測。其目的是確定接收信號的到達時間，這是整個電路中的關(guān)鍵，因為它不僅決定系統(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 超聲波倒車雷達的軟件設計
    本系統(tǒng)采用了AT89S52單片機，用單片機匯編語言實現(xiàn)軟件編程。整個系統(tǒng)軟件功能的實現(xiàn)可以分為主程序、子程序、中斷服務子程序3個主要部分。
    中斷服務程序響應單片機的外部中斷，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。在中斷服務程序中，首先進行必要的現(xiàn)場保護，再把進入中斷服務程序處的計數(shù)值讀出并對該數(shù)據(jù)進行處理，計算得到相應的距離值，同時轉(zhuǎn)換為十進制，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單片機是16位定時器，最大計時時間為65 536 μs，當測量的距離很遠的時候，定時器就會發(fā)生溢出，所以必須對溢出中斷進行相應地設置才能使得單片機正常工作。同時由于電路的測量距離有限(最遠為5 m)，當測量距離超出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總線模塊設計
3.1 硬件設計原理
    整個節(jié)點的主控部分是由控制器AT89S52、LIN收發(fā)器TJA1020組成。本設計需要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，用于提供單片機和LCD液晶顯示屏的電源。單片機的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，便于與上位機進行直接通信。
    基于單片機構(gòu)成的LIN節(jié)點實現(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，程序運行比較穩(wěn)定。但不足的是系統(tǒng)大部分時間都花費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和提高，間隔場、同步字節(jié)場的接收完全采用中斷方式進行。中斷方式的優(yōu)點是對主程序運行的影響較小，系統(tǒng)的資源利用率高。不足的是增加了單片機的外圍電路，硬件較復雜。綜合以上特點，本設計采用中斷方式接收。
3.2 軟件設計原理
    LIN總線通信系統(tǒng)由主節(jié)點和從節(jié)點組成，主節(jié)點包括主任務、同時也可以包括從任務；從節(jié)點則只能包括從任務，整個通信是由主任務發(fā)起的。首先主節(jié)點查詢本身的超聲波倒車雷達是否需要數(shù)據(jù)傳輸，如果有，則將數(shù)據(jù)裝進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、標識符場、數(shù)據(jù)場和校驗和場；如果沒有，則按照順序發(fā)送報文頭，每個ID對應一個報文頭，然后總線等待從節(jié)點響應。程序框圖如圖3所示。

    從節(jié)點包括2類：(1)帶有倒車雷達的從節(jié)點，它有1個ID信箱，將自己在總線獲得的ID放在里面，每當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進行對比。如果相同則將采集到的超聲波數(shù)據(jù)裝進數(shù)據(jù)信箱，然后把數(shù)據(jù)做為數(shù)據(jù)響應發(fā)送出去；否則保持沉默，不發(fā)送任何數(shù)據(jù)。(2)不帶倒車雷達系統(tǒng)的從節(jié)點，其主要功能是對接收總線的數(shù)據(jù)進行顯示，并在必要的時候充當網(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定義全局的標識符，對總線上所有的信號進行接收，并且根據(jù)校驗和場的數(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 倒車雷達系統(tǒng)實驗及數(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際到達探頭的時間不同引起的。　　
4.2 結(jié)合LIN總線分析儀進行通信測試
    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)議標準的信號，并在電腦顯示中，可以對LIN報文的每一部分進行分析。測試系統(tǒng)將實驗板與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是接收到的幀的標識符，用十進制標識。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)點接收信號，根據(jù)LIN總線協(xié)議，從節(jié)點應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為標識符，CS為校驗和場數(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)實現(xiàn)了與瑞典Kvaser公司的LIN總線分析儀相互進行通信，實驗表明該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸符合LIN協(xié)會規(guī)定的LIN協(xié)議標準，能夠很好地與其他符合LIN標準的汽車電子設備進行通信，具有較好的實際應用價值。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，本設計雖然基本上實現(xiàn)了LIN總線通信的功能，但與標準的LIN協(xié)議通信還有一定的距離。
參考文獻
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