【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能包括兩路速度信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示速度信號(hào)、數(shù)據(jù)上傳。上位機(jī)主要由單片機(jī)、 LCD 顯示電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路組成，完成相關(guān)的控制及顯示功能。 下位機(jī)系統(tǒng)功能 速度檢測(cè) 下位機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境條件、天氣條件等共同影響下的能見度檢測(cè)，并且檢測(cè)的方法不能影響汽車的正常行駛及駕駛員對(duì)汽車的操作。的高速公路的設(shè)計(jì)限速值為 120Km/h，在能見度超過(guò) 200m 的時(shí)候，系統(tǒng)輸出的安全行駛速度為設(shè)計(jì)速度。在能見度低于 10m 的時(shí)候，系統(tǒng)輸出停止信號(hào)，即能見度太低，車輛不能安全行駛。另一方面，系統(tǒng)要能夠快速檢測(cè)出汽車車輛的實(shí)時(shí)行駛速度。 速度信號(hào)顯示 下位機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示兩種速度的值。顯示時(shí)，僅顯示整數(shù)部分。 數(shù)據(jù)上傳 能夠定時(shí)上傳下位機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)到的兩路速度信號(hào)值。 上位機(jī)系統(tǒng)功能 數(shù)據(jù)收集 上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)收集從下位機(jī)傳來(lái)的速度值，并判斷和顯示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 速度顯示 上位機(jī)能夠直觀的顯示兩種速度值，并能方便的被駕駛員讀取，為駕駛員的駕駛提供輔助。 警示及控制 上位機(jī)能夠根據(jù)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行安全性判斷，根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行智能性控制。如果行駛的速度不在安全的范圍內(nèi)則以聲光信號(hào)警示駕駛員，在警示沒(méi)有引起重視的情況下對(duì)車輛的供油系統(tǒng)發(fā)出指令控制供油，以降低行駛的速度。 下位機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 根據(jù)下位機(jī)系統(tǒng)的功能，下位機(jī)可劃分為速度信號(hào)采集模塊、顯示模塊、電源模塊、通信模塊和單片機(jī)模塊。下位機(jī)系統(tǒng)模塊圖如圖 21 所示。 圖 21 下位機(jī)系統(tǒng)模塊圖 速度采集模塊分別實(shí)現(xiàn)對(duì)安全行駛速度和實(shí)時(shí)行駛速度的檢測(cè)。 對(duì)于安全行駛速度的檢測(cè)，目前比較常用的檢測(cè)能見度的方法有激光透射法、散射法、視頻法。由于在汽車上使用，激光在夜晚會(huì)影響汽車駕駛員的視線，而且汽車在行駛過(guò)程中所處環(huán)境復(fù)雜多變，激光容易受到如可見光等諸多外界環(huán)境條件的干擾。再者，激光本身的使用技術(shù)，如激光對(duì)準(zhǔn)技術(shù)也很復(fù)雜，激光應(yīng)用的成本也較高。另外，采用視頻法，用攝像頭代替人的眼睛，采用視頻圖像處理技術(shù)分辨實(shí)時(shí)條件下的能見度，這種方法技術(shù)難度大，目前沒(méi)有現(xiàn)成的模型，且經(jīng)過(guò)圖像處理技術(shù)處理后得到的能見度值也缺乏實(shí)時(shí)性。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用紅外線檢測(cè)，這種不可見光 不論是白天或者夜晚都不會(huì)影響駕駛員的駕駛，并且受到外界的干擾小，且成本很低。用紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，并用配套波長(zhǎng)的紅外接收管接收。紅外線在空氣中傳輸，經(jīng)過(guò)不同能見度條件下空氣中微粒對(duì)紅外線的吸收、折射，使得紅外線在固定距離的衰減隨能見度不同而發(fā)生變化，紅外接收管接收的紅外線強(qiáng)度也就隨之變化，再在紅西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 外接收管端加上適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路，使得能見度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)采集。 對(duì)于實(shí)時(shí)速度的檢測(cè)，目前成熟的測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法很多，有光電計(jì)數(shù)，霍爾傳感器等。本設(shè)計(jì)考慮到測(cè)量車輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速，采用光電計(jì)數(shù)脈 沖，需要相對(duì)安裝發(fā)射端和接收端，使得在車輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為不同頻率的脈沖信號(hào)。此種方法在車輪兩側(cè)在安裝檢測(cè)裝置時(shí)會(huì)帶來(lái)極大的不便，且裝置會(huì)影響汽車的外部美觀。因此，采用霍爾傳感器，在車轂上安裝一塊磁鐵，在車輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，同一個(gè)地方的磁場(chǎng)隨之強(qiáng)弱變化。同時(shí)，在汽車的車輪上方安裝 A3144 檢測(cè)器件， A3144 能夠根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)弱快慢輸出不同頻率的脈沖信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)計(jì)數(shù)器對(duì)固定時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，并通過(guò)程序處理，得到實(shí)時(shí)行駛速度。 速度值在 0~120km/h 之間，且只顯示整數(shù)部分，因此使用兩個(gè)四位 LED 數(shù)碼管顯 示器，采用動(dòng)態(tài)顯示方法。 汽車電子電路中通用的電壓值是 12V 直流。因此，為了使本設(shè)計(jì)最大的符合實(shí)際的使用環(huán)境，便于汽車集成及擴(kuò)展，所以電源模塊采用三端穩(wěn)壓集成電路芯片7805，將 12V 直流轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)使用的 5V 直流電源。 通信模塊采用 CAN 總線通信?？紤]到 CAN 總線是汽車電子中使用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力在實(shí)際應(yīng)用中受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。為了更好的與實(shí)用汽車電子系統(tǒng)相兼容，本設(shè)計(jì)采用帶有 SPI 接口的 MCP2515CAN 總線控制器及 TJA1050T 總線收發(fā)器，構(gòu)成實(shí)用的 CAN 總線通信系統(tǒng)，定時(shí)向總線發(fā)送速度信號(hào)值。 單片機(jī)模塊采集速度值并驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示；通過(guò) SPI 接口向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，因此采用 AT89S52 單片機(jī) [4]。 上位機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 根據(jù)上位機(jī)系統(tǒng)的功能，上位機(jī)可劃分聲光警示信號(hào)模塊、 LCD 顯示模塊、電源模塊、通信模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊和單片機(jī)模塊。上位機(jī)系統(tǒng)模塊圖如圖 22 所示。 顯示模塊采用 LCD1602 顯示器顯示實(shí)時(shí)速度信號(hào)， 1602 是一種專門用來(lái)顯示字 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 圖 22 上位機(jī)系統(tǒng)模塊圖 母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。功能實(shí)用且成本較低，顯示的數(shù)據(jù)信息能方便的為駕駛員讀取。 警示信號(hào)采用聲光形式，在行駛速度超過(guò)安全速度時(shí)，利用紅色 LED 引起駕駛員的高度重視，同時(shí)以警示聲音提示駕駛員。 在提示沒(méi)有引起駕駛員重視的情況下，采用步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確控制汽車節(jié)氣門，達(dá)到控制汽車油路的目的，從而達(dá)到減速。步進(jìn)電機(jī)可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而準(zhǔn)確定位，在行駛速度超過(guò)安全速度時(shí)準(zhǔn)確地將油路控制在合適的位置；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，使電機(jī)調(diào)速 的，以達(dá)到在行駛速度遠(yuǎn)超過(guò)安全速度時(shí)快速反應(yīng)，降低速度。 通信模塊采用 CAN 總線通信，同下位機(jī)設(shè)計(jì)。電源模塊設(shè)計(jì)思路同下位機(jī)。單片機(jī)模塊仍采用 AT89S52 單片機(jī)。 本章小結(jié) 本章具體分析了系統(tǒng)的功能要求，并根據(jù)功能要求做出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。 將下位機(jī)的功能要求具體分解為電源、速度信號(hào)采集、單片機(jī)控制、數(shù)碼管顯示、通信五個(gè)功能模塊，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)并顯示、傳輸?shù)墓δ堋? 同時(shí)，將上位機(jī)的功能要求具體分解為電源、通信、單片機(jī)控制、 LCD 顯示、聲光提示、步進(jìn)電機(jī)控制六個(gè)功能模塊，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)并顯示，判斷車 輛安全狀態(tài)并根據(jù)結(jié)果發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)的功能。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 主要器件 本節(jié)介紹系統(tǒng)中主要器件及其功能。包括帶有 SPI 接口的 CAN 總線控制器MCP2515 及總線收發(fā)器 TJA1050T、紅外對(duì)管、霍爾傳感器 A314步進(jìn)電機(jī)、LCD160三端穩(wěn)壓集成電路芯片 780數(shù)碼管、 AT89S52 單片機(jī)。 帶有 SPI 接口的獨(dú)立 CAN 總線控制器 MCP2515 CAN 總線技術(shù)簡(jiǎn)介 CAN（ Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱，是德國(guó) Bosch 公司在1986 年為解決現(xiàn)代汽車中眾多測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。 CAN 總線與其他現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相比，具有以下主要特點(diǎn)： （ 1） CAN 總線上任一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向其他接節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信，節(jié)點(diǎn)不分主次，通信方式靈活。各節(jié)點(diǎn)信息，按照對(duì)實(shí)時(shí)性要求的緊急程度，分為不同的優(yōu)先級(jí)。 （ 2） CAN 采用載波監(jiān)聽多路訪問(wèn)、逐位仲裁的非破壞性總線仲裁技術(shù)。同時(shí)，CAN 無(wú)需通過(guò)豹紋濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等方式傳輸數(shù)據(jù)。 （ 3） CAN 的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km（速度 5Kb/s 以下）；通信速率最高可達(dá) 1Mb/s（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為 40m）。 CAN 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要決定于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)到 110 個(gè)。 （ 4） CAN 具有良好的檢錯(cuò)效果。并且設(shè)有出錯(cuò)檢測(cè)、標(biāo)定和自檢措施。數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低。 （ 5）傳輸介質(zhì)選擇靈活，可以為雙絞線、同軸電纜或光纖。 （ 6） CAN 器件可被置于無(wú)內(nèi)部活動(dòng)的睡眠方式，以降低系統(tǒng)功耗。 CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行不受影響。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 參照 ISO/OSI 標(biāo)準(zhǔn)模型， CAN 分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。而數(shù)據(jù)鏈路層又包括邏輯鏈路控制子層 LLC（ Logic Link Control）和媒體訪問(wèn)控制子層 MAC（ Medium Access Control）。 CAN 總線上信號(hào)的位電平如圖 31 所示。圖中 CANH 和 CANL 分別作為總線傳輸介質(zhì)的兩條線。 VCANH 和 VCANL 分別表示 CANH 和 CANL 上的電壓。 CAN 總線上的電壓就是它們的差分電壓。 圖 31 CAN總線上的電平信號(hào) CAN 總線控制器 MCP2515 （ 1） CAN 系統(tǒng)模型 本設(shè)計(jì)使用獨(dú)立 CAN 控制器 MCP2515，系統(tǒng)整體的模擬圖如圖 32 所示。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 圖 32 MCP2515控制器應(yīng)用系統(tǒng) （ 2） MCP2515 特性 MCP2515 完全支持 CAN 總線 和 技術(shù)規(guī)范，提供 0~8 字節(jié)報(bào)文長(zhǎng)度；允許標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀，支持遠(yuǎn)程幀；具有兩個(gè)接收緩沖器，優(yōu)先存儲(chǔ)報(bào)文；六個(gè)完全驗(yàn)濾波器，兩個(gè)完全驗(yàn)收屏蔽濾波器，三個(gè)發(fā)送緩沖器，具有優(yōu)先級(jí)設(shè)定以及發(fā)送中止功能。 MCP2515 硬件特性包括：高速 SPI 接口；單觸發(fā)模式確保報(bào)文發(fā)送只嘗試一次；帶有可編程預(yù)分頻器的時(shí)鐘輸出引腳；可用起始幀信號(hào)（ StartofFrame， SOF），用于監(jiān)控 SOF 信號(hào)；帶有 可選使能設(shè)定的中斷輸出引腳； 另外， MCP2515 還具有低功耗 CMOS 技術(shù)。工作電壓范圍 至 ，典型工作電流為 5mA，典型待機(jī)電流為 1181。A （休眠模式）。工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍為 40176。C 至 +85176。 C，擴(kuò)展級(jí)為 40176。 C 至 +125176。 C。 （ 3） MCP2515 引腳特性、內(nèi)部緩沖器及協(xié)議引擎 MCP2515 提供 18 腳封裝，引腳圖如圖 33 所示。 圖 33 MCP2515 引腳圖 引腳功能如表 31 所示。 表 31 MCP2515引腳功能表 名稱 引腳號(hào) I/O/P 類型 說(shuō)明 備選引腳功能 TXCAN 1 O 連接到 CAN 總線 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 的發(fā)送輸出引腳 名稱 引腳號(hào) I/O/P 類型 說(shuō)明 備選引腳功能 RXCAN 2 I 連接到 CAN 總線 的發(fā)送輸入引腳 CLKOUT 3 O 帶可編程預(yù)分頻器 的時(shí)鐘輸出引腳 起始幀信號(hào) TX0RTS 4 I 發(fā)送緩沖器 TXB0 請(qǐng)求發(fā)送引腳或通用數(shù)字輸入引腳。 VDD 上連100k?內(nèi)部上拉電阻 通用數(shù)字輸入引腳。 VDD 上連 100 K? 內(nèi)部上拉電阻 TX1RTS 5 I 發(fā)送緩沖器 TXB1 請(qǐng)求發(fā)送引腳或通用數(shù)字輸入引腳。 VDD 上連100k?內(nèi)部上拉電阻 通用數(shù)字輸入腳。 VDD 上連 100 K? 內(nèi)部上拉電阻 TX2RTS 6 I 發(fā)送緩沖器 TXB2 請(qǐng)求發(fā)送引腳或通用數(shù)字輸入引腳。 VDD 上連100k?內(nèi)部上拉電阻 通用數(shù)字輸入腳。 VDD 上連 100 K? 內(nèi)部上拉電阻 OSC2 7 O 振蕩器輸出 OSC1 8 I 振蕩器輸入 外部時(shí)鐘輸入引腳 VSS 9 P 邏輯和 I/O 引腳的參考地 RX1BF 10 O 接收緩沖器 RXB1 中斷引腳或通用數(shù)字輸出引腳 通用數(shù)字輸出引腳 RX0BF 11 O 接收緩沖器 RXB0 中斷引腳或通用數(shù)字輸出引腳 通用數(shù)字輸出引腳 INT 12 O 中斷輸出引腳 SCK 13 I SPI 接口的時(shí)鐘輸入引腳 SI 14 I SPI 接口的數(shù)據(jù)輸入引腳 SO 15 O SPI 接口的數(shù)據(jù)輸出引腳 CS 16 I SPI 接口的片選輸入引腳 RESET 17 I 低電平有效的器件復(fù)位輸入引腳 VDD 18 P 邏輯和 I/O 引腳的正電源 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 MCP2515 具有 3 個(gè)發(fā)送緩沖器和 2 個(gè)接收緩沖器， 2 個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器（分別對(duì)應(yīng)不同的接收緩沖器），以及 6 個(gè)驗(yàn)收過(guò)濾寄存器。圖 34 顯示了這些緩沖器及它們與 CAN 協(xié)議引擎的連接方法。 CAN 報(bào)文幀 [6] MCP2515 支持 技術(shù)規(guī)范中所定義的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀、擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀，以及遠(yuǎn)程幀（標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展）。 CAN 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀包括幀起始、仲裁字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、CRC 字段以及幀結(jié)束字段，共 108 個(gè)字節(jié)。擴(kuò)展幀相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)幀，在幀起始信號(hào) SOF位后面的是 32 為仲裁字段，其中前 11 位為基本標(biāo)識(shí)符，其后還有 18 位的擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符?？偣?128 個(gè)