基于P87C591的CAN总线超声测距系统设计方案

一、系统概述

CAN（Controller Area Network）总线因其高可靠性和抗干扰能力，被广泛应用于工业自动化、汽车电子等领域。在本设计中，基于P87C591微控制器开发了一种CAN总线超声测距系统。系统主要由主控模块、超声波发射与接收模块、数据处理模块及CAN总线通信模块构成，实现了远距离、多节点的实时超声波测距。

二、主控芯片P87C591简介

P87C591是飞利浦公司推出的一款基于8051内核的微控制器，集成了CAN控制器模块和丰富的I/O资源，适合工业自动化和分布式控制场景。

1. 芯片主要特性

• 内核：兼容标准8051微控制器。

• 存储器：32 KB的片上Flash存储器，1 KB的RAM。

• CAN模块：内置全功能CAN 2.0B控制器，支持最大1 Mbps通信速率。

• I/O资源：34个可编程I/O引脚，支持多种外设扩展。

• 工作频率：最高12 MHz。

• 工作电压：+5 V供电。

2. 芯片在设计中的作用

• CAN通信控制：内置的CAN控制器实现节点与总线的高效通信。

• 超声波测距控制：利用I/O口控制超声波发射与接收信号的触发和检测。

• 数据处理：处理回波信号的时间差计算，实现测距算法的核心运算。

三、系统功能与设计需求

系统需实现以下功能：

1. 通过超声波实现多节点环境的实时测距，测距精度达到毫米级。

2. 利用CAN总线实现多节点间的数据共享，支持远距离传输。

3. 提供故障诊断功能，确保系统可靠性。

设计需求包括：

• 测距范围：0.1 m 至 5 m。

• 分辨率：1 mm。

• CAN通信速率：500 kbps。

• 节点数：支持至少16个节点的扩展。

四、系统架构设计

1. 硬件架构

系统的硬件结构如图所示（假设绘制图）：

1. 主控模块：由P87C591微控制器负责处理所有核心逻辑，包括超声波触发、时间差计算和CAN通信。

2. 超声波发射与接收模块：由超声波发射器和接收器构成，用于实现测距信号的物理层采集。

3. 信号放大与整形模块：对回波信号进行放大和整形，提高信号质量。

4. CAN收发模块：采用TJA1040 CAN收发器，与P87C591的CAN控制器配合完成数据传输。

5. 电源管理模块：为系统提供稳定的电源支持。

2. 软件架构

软件架构分为以下模块：

1. CAN通信协议层：实现基于CAN 2.0B协议的数据发送和接收。

2. 超声测距算法层：包括发射信号控制、时间差计算和距离转换。

3. 系统控制层：负责节点间数据交互和测距逻辑的总体调度。

五、设计过程

1. 超声波测距模块设计

超声波测距模块是系统的核心部分，主要利用声波在空气中的传播速度计算距离：
$D = frac{V imes t}{2}$D=2V×t
其中，$D$D为距离，$V$V为声波传播速度（约343 m/s），$t$t为声波发射到接收的时间差。

具体设计如下：

• 硬件电路设计：
  使用HC-SR04超声波模块。P87C591通过I/O引脚发出触发信号，HC-SR04接收到信号后，开始发射超声波，同时计时模块启动计时。当接收到回波时，模块将回波信号反馈给P87C591停止计时。

• 信号处理：
  回波信号经过放大器放大，由P87C591内部定时器捕获时间差。

2. CAN总线通信模块设计

CAN总线模块采用TJA1040收发器，具体设计包括：

• 硬件电路设计：
  P87C591的CAN引脚通过TJA1040与CAN总线相连，TJA1040提供信号的电气接口和总线抗干扰能力。

• 通信协议设计：
  每个节点有唯一的CAN ID，用于区分节点信息。传输帧分为数据帧、控制帧和错误帧，确保数据完整性和实时性。

3. 系统软件设计

• 主程序流程：

1. 系统初始化：初始化P87C591的各个模块，包括定时器、CAN控制器和I/O口。

2. 超声波触发：定时发送触发信号并记录发射时间。

3. 回波时间捕获：接收回波信号，计算时间差并转换为距离。

4. 数据传输：通过CAN总线发送测距数据至主节点。

• 关键算法实现：

• 距离计算算法

• 数据帧打包与解码

• 错误处理与容错机制

六、详细设计实现

1. 主控芯片P87C591的配置

• 配置CAN控制器工作模式，设置通信速率为500 kbps。

• 配置定时器用于时间差测量，定时器精度设置为1 µs。

• I/O口控制超声波发射模块，通过软件控制实现周期触发。

2. CAN通信的节点设计

系统设置主节点和从节点：

• 主节点：接收从节点发送的测距数据，并通过CAN总线向其他节点广播。

• 从节点：测量距离并定期将数据发送到主节点。

七、测试与优化

测试步骤包括：

1. 单节点测试：验证单个节点的测距精度和通信稳定性。

2. 多节点测试：测试多节点环境下的CAN通信性能。

3. 抗干扰测试：通过增加外界干扰，验证系统可靠性。

优化方法：

1. 调整CAN通信参数以提高总线利用率。

2. 使用滤波器优化超声波信号质量。

3. 提高回波信号处理算法的精度。

八、总结

本设计基于P87C591微控制器，结合CAN总线和超声波测距技术，实现了多节点实时测距系统。设计中利用P87C591的内置CAN控制器简化了硬件电路，优化了系统的可靠性和通信性能，适用于工业自动化、仓储管理等场景。