摘 要：為了避免由重型汽車轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差所造成的碰撞事故，本文介紹了內(nèi)輪差形成原理并提出了一種基于單片機(jī)的超聲波脈沖測(cè)距預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)能在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)通過安裝在汽車兩側(cè)的超聲波測(cè)距傳感器監(jiān)測(cè)汽車內(nèi)側(cè)狀況，實(shí)時(shí)顯示測(cè)得的距離并在危險(xiǎn)時(shí)發(fā)出警告，預(yù)防碰撞事故的發(fā)生。同時(shí)，系統(tǒng)亦可以通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。 關(guān)鍵詞：CAN總線;預(yù)警;超聲波;傳感器 [b][align=center]The Design of Warning System for Difference of Radius Between Inner Wheels of Heavy-duty Truck Based on CAN Bus SHI Bin[/align][/b] Abstract: To avoid accidents caused by the difference of radius between inner wheels when the heavy-duty truck is turning, the design of the warning system using ultrasonic pulse Distance-Measurement was introduced. Ultrasonic pulse Distance-Measurement installed on both sides of the truck can monitor the status inside the truck, so the system could show the real-time measured distance and warn when dangerous, that effectively prevents the occurrence of collision accidents. And the system can also transfer the data to the host machine through the CAN bus. Therefore, the network control and remote monitoring are realized. Key words: CAN-bus; warning system; ultrasonic wave; sensor 1 內(nèi)輪差原理 　　內(nèi)輪差是車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的前內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑與后內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑之差。由于內(nèi)輪差的存在，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，前、后車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡不重合。內(nèi)輪差的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的幅度和車輛軸距的長(zhǎng)短有關(guān)，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)幅度越大即轉(zhuǎn)向角度越大，內(nèi)輪差越大，反之越小;車輛的軸距越長(zhǎng)，內(nèi)輪差越大，反之則越小。重型汽車車身都比較長(zhǎng)，尤其是車頭轉(zhuǎn)過去后，還有很長(zhǎng)的車身沒有轉(zhuǎn)過來，極易形成大型車輛司機(jī)的“視覺盲區(qū)”，路人步入內(nèi)輪范圍后，容易造成生命危險(xiǎn)。如圖1中的陰影部分為內(nèi)輪差的形成區(qū)域。 [align=center] 圖1 內(nèi)輪差示意圖[/align] 2 超聲波預(yù)警原理 　　2.1超聲波測(cè)距原理 　　諧振頻率高于20KHZ的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播，頻率越高，則繞射能力越弱，反射能力越強(qiáng)。超聲波測(cè)距的方法多種多樣，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限;聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本文采用往返時(shí)間檢測(cè)法，其工作原理是：使超聲波發(fā)射探頭向介質(zhì)發(fā)射超聲脈沖，聲波遇到被測(cè)物體后必有反射波作用于接收探頭。若已知介質(zhì)中的聲速為V，發(fā)射脈沖時(shí)刻與第一個(gè)反射波到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間差為T，則探頭與被測(cè)物體距離S=VT/2，對(duì)距離值改變的測(cè)算可以實(shí)現(xiàn)所需的控制目的。超聲波的速度V與溫度相關(guān)，空氣中的聲速與溫度的關(guān)系可表示為： 　　（1） 　　2.2 輪差檢測(cè)中超聲波傳感器的布置 　　汽車在行駛中即會(huì)向左側(cè)轉(zhuǎn)彎也會(huì)向右側(cè)轉(zhuǎn)彎，因此超聲波傳感器應(yīng)該在車身的兩邊對(duì)稱安裝。本系統(tǒng)中一共需要安裝三對(duì)傳感器，一對(duì)安裝在前輪附近，為了提醒司機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)車身后面是否會(huì)撞到轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的物體;第二對(duì)安裝在軸距中間附近，為了防止有物體在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)突然出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè);第三對(duì)安裝在后輪附件，為了及時(shí)提醒司機(jī)危險(xiǎn)狀況。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)將單片機(jī)技術(shù)、超聲波測(cè)距技術(shù)與CAN總線通信技術(shù)等相結(jié)合，可檢測(cè)汽車在轉(zhuǎn)彎過程中汽車內(nèi)側(cè)狀況。預(yù)警系統(tǒng)的三對(duì)測(cè)距傳感器獨(dú)立工作，通過CAN總線經(jīng)接口芯片PCA82C250驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破?。測(cè)距采用SensComp 600傳感器和SensComp 6500超聲波距離模塊;單片機(jī)采用低成本的AT89C51主要功能為：1、用于控制測(cè)距傳感器并把測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過CAN控制器SJA1000發(fā)送到CAN總線上;2、通過溫度傳感器DS18B20傳送過來的溫度參數(shù)，修正超聲波在空氣中的傳播速度;在PCA82C250與SJA1000之間還增加了高速線性光耦6N137進(jìn)行隔離，有效地防止汽車在惡劣工作環(huán)境下的瞬態(tài)干擾，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。因?yàn)槿龑?duì)測(cè)距傳感器硬件系統(tǒng)完全相同，此次只用一個(gè)進(jìn)行說明，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。 [align=center] 圖2 輪差預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　3.1 CAN總線通信模塊 　　CAN總線協(xié)議遵循ISO的標(biāo)準(zhǔn)模型，分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。這兩層通常由CAN控制器和收發(fā)器了實(shí)現(xiàn)的。CAN總線器件可大體分為兩種類型，其一種是帶片上CAN控制器，如87C196CA/CB、MC6837等;另一種的CAN控制器獨(dú)立需要和微處理器一起使用，如Philips SJA1000、Intel公司82526及MCP251。前者多用在許多特定情況下，使用集成器件方便用戶制作印制板，使得電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、緊湊，效率提高;后者使用上比較靈活，它可以與多種類型的單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)的各類總線進(jìn)行接口組合。在本系統(tǒng)中，結(jié)合前面選擇的微控制器綜合考慮，選Philips半導(dǎo)體公司的SJAl000作為獨(dú)立CAN控制器。SJA1000的主要特性:擴(kuò)展接收緩沖器（128字節(jié)FIFO）;支持CAN 2.0B協(xié)議;同時(shí)支持11位和29位標(biāo)識(shí)符;位通訊速率為1Mbits/s;增強(qiáng)CAN模式（PeliCAN）;采用24MHz時(shí)鐘頻率;支持多種微處理器接口;可編程CAN輸出驅(qū)動(dòng)配置;工作溫度范圍為-40℃～+125℃，足以適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。CAN總線驅(qū)動(dòng)器選用Philips公司的PCA820250，它具有高速性（最高速度可達(dá)1Mbps）,能滿足自制動(dòng)等實(shí)時(shí)性要求較高的控制需要;具有抗瞬間干擾保護(hù)總線的能力，具有降低射頻干擾的斜率控制。此外，它可以與110個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，能夠防止電源與地之間發(fā)生短路，并且當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)掉電時(shí)不影響總線。 　　CAN總線通信模塊主要有AT89C5l微控制器、獨(dú)立CAN通信控制器SJAlO00和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250組成。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，設(shè)計(jì)在SJAl000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250之間增加了光電隔離器6N137。當(dāng)微處理器AT89C51將測(cè)距結(jié)果數(shù)據(jù)通過P0口發(fā)送到CAN總線控制器SJAl000，由SJAl000將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)從端口TX0發(fā)出，經(jīng)過光電隔離器6N137后到達(dá)CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。相反，來自CAN總線的數(shù)據(jù)也可以經(jīng)過相應(yīng)電路到達(dá)微處理器。這樣就可以實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距傳感器與上位機(jī)的通信功能。 　　3.2 超聲波傳感器介紹 　　本系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51來實(shí)現(xiàn)對(duì)SensComp 600系列超聲波傳感器和SensComp 6500超聲波測(cè)距模塊的控制。SensComp 600系列靜電換能器的頻率為50kHz;測(cè)量范圍為6英寸到35英尺（0.15米～10.7米）。配合SensComp的6500驅(qū)動(dòng)電路時(shí)傳感器測(cè)量范圍能從2.5厘米到15.2米。AT89C51通過P1.0引腳控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離，如圖3所示為超聲波測(cè)距的硬件示意圖。 [align=center] 圖3 超聲波測(cè)距電路的硬件示意圖[/align] 　　3.3 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì) 　　由于溫度每改變10℃，聲速改變量為0.6m/s，因此溫度對(duì)測(cè)距的影響是相當(dāng)大的。為了更精確的實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能，本設(shè)計(jì)使用了美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司的單線溫度傳感器DS18B20。該傳感器能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，測(cè)溫范圍-55℃～+125℃，精度達(dá)±0.5℃，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，整個(gè)產(chǎn)品體積小、價(jià)格低、使用靈活，在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面都能夠滿足系統(tǒng)的要求。如圖4為溫度傳感器與單片機(jī)的連接原理圖。 [align=center] 圖4 溫度校正部分原理圖[/align] 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，程序由主程序、測(cè)距子程序、CAN總線通信子程序等模塊組成。調(diào)試過程中對(duì)其中每個(gè)功能模塊和子程序逐一調(diào)試，在每個(gè)子程序都完成其指定的功能后，再進(jìn)行整合完成最后的綜合調(diào)試。輪差預(yù)警系統(tǒng)的主程序流程圖、測(cè)距子程序流程圖分別如圖5、6所示。汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)啟動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，AT89C51先把P1.0置0，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)。我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，在發(fā)送完16個(gè)脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號(hào)識(shí)別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號(hào)，要檢測(cè)返回信號(hào)必須在啟動(dòng)發(fā)射信號(hào)后2.38ms才可以檢測(cè)。當(dāng)超聲波信號(hào)碰到障礙物時(shí)信號(hào)立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)表明信號(hào)已經(jīng)返回，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)結(jié)合溫度傳感器送來的現(xiàn)場(chǎng)溫度經(jīng)過校正換算，可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的真實(shí)距離;然后顯示測(cè)距結(jié)果，若測(cè)距結(jié)果低于設(shè)定閥值則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào);最后把得到的距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)向汽車主控制器發(fā)送，這樣就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)與CAN網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的通信和網(wǎng)絡(luò)控制功能。 5 結(jié)論 　　本文提出了一種應(yīng)用于重型汽車的輪差預(yù)警系統(tǒng),基于超聲脈沖測(cè)距原理進(jìn)行測(cè)距，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并通過CAN總線將輪差預(yù)警系統(tǒng)與汽車的數(shù)字化平臺(tái)接軌，降低了環(huán)境因素的影響，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)精度。根據(jù)障礙物到車體的距離遠(yuǎn)近進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)該計(jì)算距離小于安全距離時(shí)，可以進(jìn)行預(yù)警，提醒司機(jī)采取必要措施以避免發(fā)生碰撞事故。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，可以經(jīng)濟(jì)、有效地降低大型汽車輪差事故發(fā)生率，具有很好的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 黃世霖等. 汽車碰撞與安全[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2000. 　　[2] 何希才.傳感器及其應(yīng)用電路[M] . 電子工業(yè)出版社, 2001. 　　[3] 鄔寬明. CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 1996. 　　[4] 陽(yáng)憲惠. 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1999. 　　[5] 王紹銧, 夏群生, 李建秋等. 汽車電子學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005. 　　[6] 黃世霖, 張金換, 王曉冬等. 汽車碰撞與安全[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2000.