基于CAN总线的网络式超声波测距仪设计.docx
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基于CAN总线的网络式超声波测距仪设计
基于CAN总线的网络式超声波测距仪设计
1实验目的
(1)理解CAN通信工作原理;
(2)理解CAN通信程序、液晶显示程序。
2实验任务
(1)配置相关引脚的复用功能,使能和配置定时器外部输入捕捉中断;
(2)使用超声波模块测距;
(3)使用DS18B20数字温度传感器采集温度数据。
3实验说明
(1)CAN是ControllerAreaNetwork的缩写(以下称为CAN),是ISO国际标准化的串行通信协议。
为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN,进行大量数据的高速通信”的需要,1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。
此后,CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化,现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
CAN通信的相关寄存器及更全面的介绍请自行翻看STM32F1开发指南(精英版)—库函数版本,下面来看如何使用CAN进行通信。
CAN控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。
总线电平分为显性电平和隐性电平,二者必居其一。
发送方通过使总线电平发生变化,将消息发送给接收方。
(2)超声波模块简介。
本试验超声波模块采用HC-SR04模块。
HC-SR04模块工作原理:
a.采用IO口TRIG触发测距,给至少10us的高电平信号;
b.模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;
c.有信号返回,通过IO口ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;
本模块使用方法简单,一个控制口发一个10us以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出。
一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离。
如此不断的周期测,即可以达到移动测量的值。
(3)DS18B20数字温度传感器简介。
DS18B20是由DALLAS半导体公司推出的一种的“一线总线”接口的温度传感器。
与传统的热敏电阻等测温元件相比,它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。
一线总线结构具有简洁且经济的特点,可轻松地组建传感器网络,从而为测量系统的构建引入全新概念,测量温度范围为-55~+125℃,精度为±0.5℃。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。
它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~l2位的数字值读数方式。
它工作在3—5.5V的电压范围,采用多种封装形式,从而使系统设计灵活、方便,设定分辨率及设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。
其内部结构如图所示:
图11.1DS18B20内部结构图
4预习要求
(1)了解超声波模块的工作原理;
(2)了解库函数中TFTLCD的常用功能函数;
(3)了解数字温度传感器的工作原理。
5实验步骤
(1)配置相关引脚的复用功能,使能和配置定时器外部输入捕捉中断;
(2)编写CAN通信程序;
(3)编写液晶显示程序,显示测量距离;
(4)调用片内温度传感器采集的温度数据,对测量距离进行温度校正;
(5)编译无误,下载程序至实训平台并调试。
硬件设计
硬件资源占用比较多,CAN总线的发射和接收需要在两个芯片烧入各自的发射和接收程序,然后连接到总线进行通讯。
见下图:
图11.2超声波部分原理图(发送端)
图11.3主控芯片CAN总线部分原理图(接收端)
用2根导线将两个模块CAN端子的CAN_L和CAN_L,CAN_H和CAN_H连接起来。
这里注意不要接反了(CAN_L接CAN_H),接反了会导致通讯异常。
将超声波模块接入板子,注意每个引脚对应的接口要一直,千万不要插反了,会导致模块损坏。
注意在通电检测时需要用USB1口进行供电。
软件设计
(1)配置相关引脚的复用功能,使能CAN时钟。
使能CAN的时钟设置CAN的相关引脚为复用输出,这里需要设置PA11为上拉输入(CAN_RX引脚)PA12为复用输出(CAN_TX引脚),并使能PA口的时钟。
使能CAN1时钟的函数是:
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_CAN1,ENABLE);//使能CAN1时钟
(2)设置CAN工作模式及波特率等。
在库函数中,提供了函数CAN_Init()用来初始化CAN的工作模式以及波特率,CAN_Init()函数体中,在初始化之前,会设置CAN_MCR寄存器的INRQ为1让其进入初始化模式,然后初始化CAN_MCR寄存器和CRN_BTR寄存器之后,会设置CAN_MCR寄存器的INRQ为0让其退出初始化模式。
所以在调用这个函数的前后不需要再进行初始化模式设置。
下面来看看CAN_Init()函数的定义:
uint8_tCAN_Init(CAN_TypeDef*CANx,CAN_InitTypeDef*CAN_InitStruct);
第一个参数就是CAN标号,这里的芯片只有一个CAN,所以就是CAN1。
第二个参数是CAN初始化结构体指针,结构体类型是CAN_InitTypeDef,下面来看看这个结构体的定义
图11.4结构体
这个结构体看起来成员变量比较多,实际上参数可以分为两类。
前面5个参数是用来设置寄存器CAN_BTR,用来设置模式以及波特率相关的参数,设置模式的参数是CAN_Mode,实验中用到常规模式CAN_Mode_Normal。
其他设置波特率相关的参数CAN_Prescaler,CAN_SJW,CAN_BS1和CAN_BS2分别用来设置波特率分频器,重新同步跳跃宽度以及时间段1和时间段2占用的时间单元数。
后面6个成员变量用来设置寄存器CAN_MCR,也就是设置CAN通信相关的控制位。
中文参考手册中对这两个寄存器的描述,非常详细。
初始化实例为:
图11.5初始化
(3)设置滤波器。
本实验中,将使用滤波器组0,并工作在32位标识符屏蔽位模式下。
先设置CAN_FMR的FINIT位,让过滤器组工作在初始化模式下,然后设置滤波器组0的工作模式以及标识符ID和屏蔽位。
最后激活滤波器,并退出滤波器初始化模式。
在库函数中,提供了函数CAN_FilterInit()用来初始化CAN的滤波器相关参数,CAN_Init()函数体中,在初始化之前,会设置CAN_FMR寄存器的INRQ为INIT让其进入初始化模式,然后初始化CAN滤波器相关的寄存器之后,会设置CAN_FMR寄存器的FINIT为0让其退出初始化模式。
所以在调用这个函数的前后不需要再进行初始化模式设置。
下面来看看CAN_FilterInit()函数的定义:
voidCAN_FilterInit(CAN_FilterInitTypeDef*CAN_FilterInitStruct);
这个函数只有一个入口参数就是CAN滤波器初始化结构体指针,结构体类型为
CAN_FilterInitTypeDef,下面看看类型定义:
图11.6类型定义
结构体一共有9个成员变量,第1个至第4个是用来设置过滤器的32id以及32位maskid,分别通过2个16位组合。
第5个成员CAN_FilterFIFOAssignment用来设置FIFO和过滤器的关联关系,本实验是关联的过滤器0到FIFO0,值为CAN_Filter_FIFO0。
第6个成员变量CAN_FilterNumber用来设置初始化的过滤器组,取值范围为0~13。
第7个成员变量FilterMode用来设置过滤器组的模式,取值为标识符列表模式CAN_FilterMode_IdList和标识符屏蔽位模式CAN_Filter
Mode_IdMask。
第8个成员变量FilterScale用来设置过滤器的位宽为2个16位CAN_FilterScale_16bit还是1个32位CAN_FilterScale_32bit。
第9个成员变量CAN_FilterActivation就很明了了,用来激活该过滤器。
过滤器初始化参考实例代码:
图11.7过滤器初始化
至此,CAN就可以开始正常工作了。
完整CAN通信初始化参考代码:
Mode_IdMask
图11.8CAN通信初始化
(4)发送接受消息
在初始化CAN相关参数以及过滤器之后,接下来就是发送和接收消息了。
库函数中提供了发送和接受消息的函数。
发送消息的函数是:
uint8_tCAN_Transmit(CAN_TypeDef*CANx,CanTxMsg*TxMessage);
这个函数比较好理解,第一个参数是CAN标号,这里使用CAN1。
第二个参数是相关消息结构体CanTxMsg指针类型,CanTxMsg结构体的成员变量用来设置标准标识符,扩展标示符,消息类型和消息帧长度等信息。
图11.9发送消息
接受消息的函数是:
voidCAN_Receive(CAN_TypeDef*CANx,uint8_tFIFONumber,CanRxMsg*RxMessage);
前面两个参数也比较好理解,CAN标号和FIFO号。
第二个参数RxMessage是用来存放接受到的消息信息。
结构体CanRxMsg和结构体CanTxMsg比较接近,分别用来定义发送消息和描述接受消息,可以对照着看一下,也比较好理解。
图11.10接受消息
(5)CAN状态获取
对于CAN发送消息的状态,挂起消息数目等等之类的传输状态信息,库函数提供了一些列的函数,包括CAN_TransmitStatus()函数,CAN_MessagePending()函数,CAN_GetFlagStatus()函数等等,可以根据需要来调用。
在can.c文件中只需要编写上述函数即可。
图11.11can.c文件
至此,can通信模块已经全部处理好了,使用时在主函数中调用即可
(6)下面进行超声波模块的编写。
首先在HARDWARE文件下建立wave.c文件和wave.h文件。
在wave.c中进行超声波模块的初始化函数以及测距函数的编写。
超声波初始化:
图11.12超声波初始化
测距函数:
距离计算:
TIM2_Cap_Init(0XFFFF,72-1);//以1Mhz的频率计数,1us计数一次,最大计数周期为65536us
图11.13测距函数
以上语句的作用是得到超声波从发出到返回所用的时间。
根据每个人设定的计时器的arr和psc不同,上面的计算方式也不同,目的是得到总的高电平时间。
(7)TFTLCD显示需要的相关设置步骤如下:
1)设置STM32F1与TFTLCD模块相连接的IO。
这一步,先将TFTLCD模块相连的IO口进行初始化,以便驱动LCD,这里用到的是FSMC,FSMC在下边会有详细讲解。
2)初始化TFTLCD模块。
这里没有硬复位LCD,因为实训平台的LCD接口,将TFTLCD的RST同STM32F1的RET1连接在一起了,只要按下开发板的RET1键,就会对LCD进行硬复位。
初始化序列,就是向LCD控制器写入一系列的设置值(比如伽马校准),这些初始化序列一般LCD供应商会提供给客户,直接使用这些序列即可,不需要深入研究。
在初始化之后,LCD才可以正常使用。
3)通过函数将字符和数字显示到TFTLCD模块上。
这一步则通过设置坐标—>写GRAM指令—>写GRAM来实现,但是这个步骤,只是一个点的处理,要显示字符/数字,就必须要多次使用这个步骤,从而达到显示字符/数字的目的,所以需要设计一个函数来实现数字/字符的显示,之后调用该函数,就可以实现数字/字符的显示了。
注:
请自行观看STM32开发手册(精英版)--库函数版本中第十八章有关FSMC的讲解,在此就不过多介绍。
重点函数使用:
//在指定位置显示一个字符
//x,y:
起始坐标
//num:
要显示的字符:
""--->"~"
//size:
字体大小12/16/24
//mode:
叠加方式
(1)还是非叠加方式(0)
voidLCD_ShowChar(u16x,u16y,u8num,u8size,u8mode)
//显示字符串
//x,y:
起点坐标
//width,height:
区域大小
//size:
字体大小
//*p:
字符串起始地址
voidLCD_ShowString(u16x,u16y,u16width,u16height,u8size,u8*p)
//显示数字,高位为0,则不显示
//x,y:
起点坐标
//len:
数字的位数
//size:
字体大小
//num:
数值(0~4294967295);
voidLCD_ShowNum(u16x,u16y,u32num,u8len,u8size)
LCD模块配置步骤较为复杂,可以直接添加或者复制LCD初始化函数模板,这里不再提供。
(8)与超声波一样,DS18B20的初始化编写同样可以在HARDWARE下建立ds18b20.c文件及ds18b20.h。
ds18b20.c文件程序如下:
图11.14ds18b20.c文件
(9)各模块具体操作步骤已经讲过,超声波的捕获由PA1出发,另设置PA0定时器2通道1为输入捕获模式,得到超声波返回的高电平时间,然后通过计算可以得到声音在空气中传播的时间;DS18B20通过PA8与MCU进行通信,可以得到温度值,然后通过计算得到声音在空气中传播的速度;这样便得到了距离。
测距公式:
测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。
温度补偿公式:
声速=331.5+0.607*摄氏度
下面主要讲一下主函数中重要的语句。
在发送方:
需要配置CAN通信发送模式以及超声波模块和DS18B20模块。
CAN_Mode_Init(CAN_SJW_1tq,CAN_BS2_8tq,CAN_BS1_9tq,4,CAN_Mode_Normal);//设置CAN通信为普通模式
Distance=temp/1000000*canbuf[1]*100*2;//得到距离
canbuf[2]=Distance;//保存在数组中
res=Can_Send_Msg(canbuf,3);//将数组canbuf[]中的数据通过Can总线传送过去
需要注意:
CAN通信最大传送字节为8
图11.15发送方程序
发送方程序样例:
(由于各模块在前面简介中已经介绍过,这里只列出主函数例)
在接收方:
需要配置CAN通信接受模式以及LCD显示数据。
图11.16接收方程序
计时器程序编写步骤在前面已经讲过,这里不在赘述。
步骤总结:
发送端:
首先将STM32ZET6程序模板改为STM32C8T6,具体操作如下
打开任意工程模板点击魔法棒按钮:
图11.17点击魔法棒
之后弹出操作窗口:
图11.18选择型号
按图上箭头指出选择STM32103C8接下来:
图11.19添加Define
点击C/C++按钮,由于ZET6为大容量芯片,C8T6为中容量芯片,将上图箭头指向的“HD”改为“MD”点击OK即可开始编写程序,注意C8T6的各个管脚。
发送端代码编写:
(1)CAN通信初始化正常模式
(2)计时器初始化,选定预装载值和分频系数
(3)超声波模块驱动编写,能够得到距离
(4)DS18b20驱动编写,能够得到温度值
(5)主函数编写,通过CAN将得到的距离和温度值发送给接收显示端
接收端代码编写:
使用的是ZET6的芯片,注意工程建立不要弄混了。
(1)CAN通信初始化选择正常模式或者静默接受模式
(2)LCD初始化及显示页面设计
(3)通过CAN接收距离和温度数据,存储在数组当中
(4)用LCD显示接收到的数据
下载与调试
在代码编译成功之后,通过下载代码到实训平台上,通过LCD观察传输数据。
并且改变超声波所测距离观察数据。
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- 基于 CAN 总线 网络 超声波 测距仪 设计