移動(dòng)機(jī)器人的安全避障問題一直是該項(xiàng)研究的基本問題，目前解決此問題的基本方法是采用多路超聲波傳感器通過適當(dāng)?shù)陌惭b角度達(dá)到獲取多路測量信息的目的。對于多路超聲波傳感器的擴(kuò)展，一般是在機(jī)器人系統(tǒng)控制核心之上進(jìn)行。這樣做的缺點(diǎn)在于，超聲波傳感器的擴(kuò)展占用了大量的系統(tǒng)硬件資源，另外大量的測量信息的處理也浪費(fèi)了系統(tǒng)軟件資源。針對這一問題，筆者采用CAN總線擴(kuò)展多路超聲波傳感器的作法。這種作法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 首先，CAN總線具有良好的傳輸防錯(cuò)設(shè)計(jì)，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性；其次，多路超聲波傳感器的設(shè)計(jì)可由CAN總線智能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省了系統(tǒng)硬件資源和軟件資源；第三，由于CAN總線對于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)在理論上不受限制，所以隨著對移動(dòng)機(jī)器人研究的不斷深入，對于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)可以靈活地在CAN總線上進(jìn)一步開發(fā)。本文介紹的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以Philips公司的P87C591作為超聲波傳感器的控制核心。由于P87C591具有片上自帶的CAN控制器并且為CAN的應(yīng)用提供了許多專用的硬件功能，因此又將它作為了系統(tǒng)的CAN總線控制器，大大節(jié)省了主控系統(tǒng)的資源。CAN總線的收發(fā)器采用TJA1040。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

機(jī)器人系統(tǒng)控制核心由ARM實(shí)現(xiàn)。其主要功能是處理需要復(fù)雜計(jì)算的信息，將經(jīng)過處理的信息再送回CAN總線，并對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的主要功能就是判斷障礙物位置，將對移動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)方向有阻礙的障礙物信息通過CAN總線傳回主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)作出相應(yīng)處理并進(jìn)行避障動(dòng)作。本文將著重介紹超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)。

前，我國基本上進(jìn)入大電網(wǎng)、大電廠、大機(jī)組、高電壓輸電、高度自動(dòng)控制的新時(shí)代，用電負(fù)荷增長速度快，超高電壓輸電網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)建，電壓等級越來越高。各地的變電站建設(shè)與管理顯得尤為重要，在此背景下，變電站的集中控制技術(shù)得到大力推廣。它要求變電站能夠向集中控制系統(tǒng)傳送足夠的信息，要求變電站的保護(hù)定值和控制裝置的整定能夠在集中控制系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)定，要求各類保護(hù)能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)和匹配。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)變電站變送器，它在功能上支持靈活的處理數(shù)據(jù)，能夠可靠地與設(shè)備進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)可靠地傳給集中控制系統(tǒng)。

變電站變送器主要是用于電網(wǎng)中箱式變電站以及更高電壓等級的變電站中，以滿足對變電站監(jiān)測、控制和通訊的需要。該裝置主要監(jiān)測變壓器高低壓側(cè)電流與電壓、頻率及開關(guān)量狀態(tài)，計(jì)算有功功率、無功功率、有功電量、無功電量，分析電能質(zhì)量，統(tǒng)計(jì)電能數(shù)據(jù)等，結(jié)合變電站的綜合保護(hù)裝置，可以實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、零序電壓保護(hù)等。并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果通過CAN（控制器局域網(wǎng)）總線傳送到上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)對變電站的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

通過采用單片機(jī)P89C591和CAN總線實(shí)現(xiàn)變電站變送器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用CAN總線將各個(gè)變電站的變送器組成通信網(wǎng)絡(luò)，用以實(shí)現(xiàn)對變電站的集中控制。微控制器采用帶有CAN控制器的單片機(jī)P89C591。P89C591是由NXP開發(fā)生產(chǎn)的，適用于自動(dòng)和通用工業(yè)應(yīng)用的8位高性能微控制器。它自帶有6路模擬輸入的10位ADC，2個(gè)8位分辨率的脈寬調(diào)制輸出，帶有CAN控制器，在應(yīng)用時(shí)可以省去CAN控制器 PCA82C200或SJA1000，減少了電路連接。其硬件連接框圖如圖2所示。本設(shè)計(jì)中采用X5045作為系統(tǒng)上電復(fù)位、電源監(jiān)控和看門狗電路，可以大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾能力;采用集成數(shù)字溫濕度傳感器LTM8901采集變電站內(nèi)部的溫度和濕度;鍵盤管理芯片采用ZLG7289B，液晶顯示采用LM3033B-0BR3芯片;光電隔離采用GH140Z。

通過采用單片機(jī)P89C591和CAN總線實(shí)現(xiàn)變電站變送器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

模擬量輸入電路

P89C591的模擬輸入電路包括一個(gè)6輸入模擬多路復(fù)用器和一個(gè)10位標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制逐次逼近式ADC。A/D還可通過置位ADC8（AUXR1.7）配置成快速轉(zhuǎn)換的8位模式。8位結(jié)果保存在ADCH寄存器中。模擬參考電壓和模擬電源通過單獨(dú)的輸入引腳連接。對于10位精度，轉(zhuǎn)換需要50個(gè)機(jī)器周期，當(dāng)晶振為12MHz時(shí)為25μs。對于8位精度，轉(zhuǎn)換需要24個(gè)機(jī)器周期。輸入電壓范圍為0“+5V。系統(tǒng)的測量量是變電站二次側(cè)的電壓量和電流量，取自于電壓互感器和電流互感器的輸出端，其數(shù)值一般不能直接滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，需要經(jīng)過電量變換電路轉(zhuǎn)換成滿足A/D轉(zhuǎn)換要求的數(shù)值。滿足要求的模擬量經(jīng)過低通濾波器以后可以直接連接到P89C591的P1.2”P1.7上，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

CAN總線接口電路

CAN總線接口電路主要由P89C591的內(nèi)部CAN控制器和CAN總線驅(qū)動(dòng)器82C250組成。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，P89C591芯片的CTX0和CRX0并不直接與82C250的TXD和RXD相連，而設(shè)計(jì)為通過高速光耦6N137后與82C250相連，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電器隔離。光耦部分電路所采用的2個(gè)電源完全隔離，這樣可以提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性，其電路連接如圖3所示。

通過采用單片機(jī)P89C591和CAN總線實(shí)現(xiàn)變電站變送器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

開關(guān)量輸入/輸出

開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)在變電站中擔(dān)負(fù)著各種保護(hù)裝置的出口跳閘、信號(hào)報(bào)警、外部接點(diǎn)輸入能功能。它主要由光電隔離器件和中間繼電器組成，在此不再贅述。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個(gè)功能子塊獨(dú)立，方便調(diào)試。系統(tǒng)主流程圖如圖4所示。從圖中可以看出，整個(gè)軟件在結(jié)構(gòu)上分為主程序、鍵盤程序、數(shù)據(jù)采集程序、顯示程序、CAN總線通信程序以及輸出控制程序。主程序?qū)崿F(xiàn)各個(gè)模塊的初始化，然后進(jìn)入中斷等待。鍵盤程序主要任務(wù)是判斷被按下鍵的鍵值，然后根據(jù)鍵值去執(zhí)行相應(yīng)的程序。數(shù)據(jù)采集程序主要是定時(shí)讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，并將結(jié)果保存到單片機(jī)中，然后調(diào)用顯示程序?qū)⒔Y(jié)果顯示，調(diào)用CAN總線通信程序?qū)⒔Y(jié)果通過CAN總線上傳給主控制機(jī)。

通過采用單片機(jī)P89C591和CAN總線實(shí)現(xiàn)變電站變送器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)語

該系統(tǒng)以P89C591為核心控制器，以CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)仿真測試表明，各模擬量的測量誤差不超過額定值的±1%，功率測量誤差不超過額定值的±2%，開關(guān)量輸入電壓（DC24V），分辨率不大于5ms，基本可以實(shí)現(xiàn)對變電站運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測，并且結(jié)合變電站的綜合保護(hù)裝置，可以實(shí)現(xiàn)對變電站運(yùn)行的自動(dòng)控制。利用CAN總線將檢測結(jié)果傳送到集中控制系統(tǒng)中去，在集中控制室可以監(jiān)控各個(gè)變電站的運(yùn)行情況，并可以修改變電站的運(yùn)行參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對變電站的遠(yuǎn)程控制。

1  超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。P87C591是51系列單片機(jī)，對于大部分熟悉51單片機(jī)的使用者來說它的使用方法十分簡單。下面分別介紹各個(gè)組成部分。

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圖2  超聲波智能節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)

1.1  控制部分

超聲波傳感器的控制部分采用Philips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的P87C591。它是一個(gè)單片8位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器，是從80C51微控制器家族派生出來的。它采用了強(qiáng)大的80C51指令集，并成功地包括了Philips半導(dǎo)體公司SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能；全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴(kuò)展的節(jié)電方式；振蕩器可停止和恢復(fù)而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)；改進(jìn)的1∶1內(nèi)部時(shí)鐘預(yù)分頻器在12 MHz外部時(shí)鐘速率時(shí)，實(shí)現(xiàn)500 ns指令周期；內(nèi)部具有的16 KB內(nèi)部程序存儲(chǔ)器完全滿足本系統(tǒng)要求。

作為系統(tǒng)控制核心，P87C591擔(dān)負(fù)兩個(gè)主要任務(wù)。其一是作為超聲波傳感器的控制核心，在其普通I/O口上擴(kuò)展了超聲波傳感器的接收和發(fā)射部分電路，利用單片機(jī)軟件功能產(chǎn)生40 kHz信號(hào)并通過驅(qū)動(dòng)放大發(fā)射出去，再利用接收部分電路進(jìn)行接收。另外可以對其余口線繼續(xù)進(jìn)行超聲波傳感器的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)多個(gè)超聲波傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其二是利用P87C591的片內(nèi)CAN控制器實(shí)現(xiàn)與CAN總線的連接。這樣的設(shè)計(jì)改變了過去在機(jī)器人控制核心上進(jìn)行超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不但將超聲波檢測與處理的工作轉(zhuǎn)移到了單片機(jī)上，大大節(jié)省了機(jī)器人控制核心的系統(tǒng)資源，還將CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的大部分控制工作也轉(zhuǎn)移到了單片機(jī)上，節(jié)省了硬件資源，同時(shí)CAN總線的采用大大提升了系統(tǒng)的抗干擾能力，使機(jī)器人控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定地工作。

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