基于CAN总线重型汽车内轮差预警系统的设计

1 内轮差原理

内轮差是车辆转弯时的前内轮的转弯半径与后内轮的转弯半径之差。由于内轮差的存在，车辆转弯时，前、后车轮的运动轨迹不重合。内轮差的大小与转动方向盘的幅度和车辆轴距的长短有关，方向盘转动幅度越大即转向角度越大，内轮差越大，反之越小;车辆的轴距越长，内轮差越大，反之则越小。重型汽车车身都比较长，尤其是车头转过去后，还有很长的车身没有转过来，极易形成大型车辆司机的"视觉盲区"，路人步入内轮范围后，容易造成生命危险。如图1中的阴影部分为内轮差的形成区域。

图1 内轮差示意图

2 超声波预警原理

2.1超声波测距原理

谐振频率高于20KHZ的声波被称为超声波。超声波为直线传播，频率越高，则绕射能力越弱，反射能力越强。超声波测距的方法多种多样，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响。本文采用往返时间检测法，其工作原理是：使超声波发射探头向介质发射超声脉冲，声波遇到被测物体后必有反射波作用于接收探头。若已知介质中的声速为V，发射脉冲时刻与第一个反射波到达时刻的时间差为 T，则探头与被测物体距离S=VT/2，对距离值改变的测算可以实现所需的控制目的。超声波的速度V与温度相关，空气中的声速与温度的关系可表示为：

　　（1）

2.2 轮差检测中超声波传感器的布置

汽车在行驶中即会向左侧转弯也会向右侧转弯，因此超声波传感器应该在车身的两边对称安装。本系统中一共需要安装三对传感器，一对安装在前轮附近，为了提醒司机转弯时车身后面是否会撞到转弯内侧的物体;第二对安装在轴距中间附近，为了防止有物体在汽车转弯时突然出现在转弯内侧;第三对安装在后轮附件，为了及时提醒司机危险状况。

3 系统硬件设计

本系统将单片机技术、超声波测距技术与CAN总线通信技术等相结合，可检测汽车在转弯过程中汽车内侧状况。预警系统的三对测距传感器独立工作，通过CAN 总线经接口芯片PCA82C250驱动将数据传输到主控制器。测距采用SensComp 600传感器和SensComp 6500超声波距离模块;单片机采用低成本的AT89C51主要功能为：1、用于控制测距传感器并把测量数据实时通过CAN控制器SJA1000发送到 CAN总线上;2、通过温度传感器DS18B20传送过来的温度参数，修正超声波在空气中的传播速度;在PCA82C250与SJA1000之间还增加了高速线性光耦6N137进行隔离，有效地防止汽车在恶劣工作环境下的瞬态干扰，确保数据传输的准确性。因为三对测距传感器硬件系统完全相同，此次只用一个进行说明，系统硬件结构如图2所示。

图2 轮差预警系统硬件结构图

3.1 CAN总线通信模块

CAN总线协议遵循ISO的标准模型，分为数据链路层和物理层。这两层通常由CAN控制器和收发器了实现的。CAN总线器件可大体分为两种类型，其一种是带片上CAN控制器，如87C196CA/CB、MC6837等;另一种的CAN控制器独立需要和微处理器一起使用，如Philips SJA1000、Intel公司82526及MCP251。前者多用在许多特定情况下，使用集成器件方便用户制作印制板，使得电路设计简化、紧凑，效率提高;后者使用上比较灵活，它可以与多种类型的单片机、微型计算机的各类总线进行接口组合。在本系统中，结合前面选择的微控制器综合考虑，选Philips 半导体公司的SJAl000作为独立CAN控制器。SJA1000的主要特性:扩展接收缓冲器（128字节FIFO）;支持CAN 2.0B协议;同时支持11位和29位标识符;位通讯速率为1Mbits/s;增强CAN模式（PeliCAN）;采用24MHz时钟频率;支持多种微处理器接口;可编程CAN输出驱动配置;工作温度范围为-40℃～+125℃，足以适应各种恶劣环境。CAN总线驱动器选用Philips公司的 PCA820250，它具有高速性（最高速度可达1Mbps）,能满足自制动等实时性要求较高的控制需要;具有抗瞬间干扰保护总线的能力，具有降低射频干扰的斜率控制。此外，它可以与110个节点相连，能够防止电源与地之间发生短路，并且当某个节点掉电时不影响总线。

CAN总线通信模块主要有AT89C5l微控制器、独立CAN通信控制器SJAlO00和CAN总线驱动器PCA82C250组成。为了提高系统的抗干扰能力，设计在SJAl000和CAN总线驱动器PCA82C250之间增加了光电隔离器6N137。当微处理器AT89C51将测距结果数据通过P0口发送到CAN总线控制器SJAl000，由SJAl000将并行数据转换为串行数据从端口TX0发出，经过光电隔离器6N137后到达CAN总线驱动器PCA82C250，最后将数据发送到CAN总线上。相反，来自CAN总线的数据也可以经过相应电路到达微处理器。这样就可以实现超声波测距传感器与上位机的通信功能。