基于CAN總線(xiàn)的農(nóng)用機(jī)車(chē)工況檢測(cè)系統(tǒng)

李新宇 肖躍進(jìn) 萬(wàn)川

摘 要：針對(duì)我國(guó)單臺(tái)農(nóng)機(jī)作業(yè)面積越來(lái)越大，對(duì)農(nóng)機(jī)的工作狀況信息的采集要求越來(lái)越高的特點(diǎn)，該文對(duì)大型農(nóng)機(jī)的工況信息采集方面進(jìn)行了分析，探討了CAN總線(xiàn)在大型農(nóng)機(jī)工況信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。設(shè)計(jì)的工況信息采集系統(tǒng)有效解決了普通采集方式可靠性差，采集信息單一的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn) 大型農(nóng)機(jī) 工況檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0058-02

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程不斷加快，農(nóng)業(yè)機(jī)械化已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量的快速增加，跨區(qū)作業(yè)能力的提高，農(nóng)機(jī)作業(yè)范圍越來(lái)越大。同時(shí)傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)作業(yè)信息反饋實(shí)時(shí)性差，不能滿(mǎn)足機(jī)車(chē)的組織者和參與者對(duì)信息快捷、準(zhǔn)確、詳細(xì)掌握的要求，不僅降低了農(nóng)機(jī)作業(yè)的工作效率和作業(yè)質(zhì)量，也造成了農(nóng)機(jī)的不合理配置，導(dǎo)致了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，阻礙了現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)作業(yè)的發(fā)展。因此，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的信息化管理調(diào)度和安全作業(yè)的保障技術(shù)提出了更高的要求。良好的農(nóng)業(yè)機(jī)械管理調(diào)度和遠(yuǎn)程作業(yè)工況信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠確保農(nóng)機(jī)作業(yè)效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適時(shí)進(jìn)行，對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展有著重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在作業(yè)機(jī)械上配備信息采集器，監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)工作中的運(yùn)行狀態(tài)，包括機(jī)車(chē)定位、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，油耗，作業(yè)面積等，通過(guò)CAN總線(xiàn)傳至核心處理器，同時(shí)在核心處理器部分也可以通過(guò)人工干預(yù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)算法做出適度調(diào)整，最終將核心處理器綜合分析得到數(shù)據(jù)及參數(shù)生成機(jī)車(chē)的工況信息，并由顯示模塊顯示，存儲(chǔ)模塊加以保存及發(fā)送。其系統(tǒng)流程如圖1所示。

2 工況信息的采集設(shè)備

油箱剩余水量和水箱剩余水量采用S5-X300型浮子液位傳感器[1]進(jìn)行采集，其輸出信號(hào)為0～5 V電壓信號(hào)，使用片內(nèi)帶有A/D轉(zhuǎn)換功能的STC15系列單片機(jī)將采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成液位的實(shí)際值：

式中l(wèi)表示油箱（或水箱）的剩余量；l表示油箱（水箱）的容積；v采表示浮子傳感器輸出的電壓量。

油箱和水箱的溫度采集采用磁鐵吸附式DS18b20溫度傳感器，DS18b20是常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開(kāi)銷(xiāo)低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。在探頭部分加了不銹鋼磁性探頭，使得模塊的安裝更加方便。

機(jī)車(chē)地理位置信息采集使用得北斗二代衛(wèi)星接收模塊，通過(guò)實(shí)時(shí)采集機(jī)車(chē)的經(jīng)緯信息，并將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線(xiàn)傳給核心處理器，以供使用。

利用霍爾傳感器對(duì)安裝在機(jī)車(chē)輪胎部位的磁性物體進(jìn)行采集，通過(guò)STC15處理器轉(zhuǎn)換成速度信息，利用CAN總線(xiàn)將實(shí)時(shí)速度傳給核心處理器。

預(yù)留其他傳感器數(shù)據(jù)接口以便后續(xù)功能擴(kuò)展。考慮到信息技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)品使用周期及軟件更新的要求，對(duì)于后續(xù)其他可用功能有必要加以擴(kuò)展，增加產(chǎn)品的多功能性，延長(zhǎng)使用周期，促進(jìn)工作人員的再開(kāi)發(fā)能力。

3 利用CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸

3.1 CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介及其特點(diǎn)

CAN全稱(chēng)為控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Control

ler Area Network），是著名的德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)，最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。它是世界上使用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。在北美和西歐，CAN總線(xiàn)協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)。因此，近年來(lái)，其可靠性高、性能優(yōu)良、性?xún)r(jià)比高、差錯(cuò)檢測(cè)能力強(qiáng)已引起人們的注意，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)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。同時(shí)，在工業(yè)自動(dòng)化，船舶，醫(yī)療設(shè)備，工業(yè)設(shè)備等，因?yàn)槠鋮f(xié)議開(kāi)放，價(jià)格低廉，且使用相對(duì)簡(jiǎn)單也已被廣泛認(rèn)同。

該系統(tǒng)將可靠的CAN總線(xiàn)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的工況檢測(cè)上，使得系統(tǒng)的可靠性大大提高。

3.2 CAN協(xié)議

在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定格式發(fā)送。總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，所有與總線(xiàn)相連的單元都可以開(kāi)始發(fā)送新消息。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開(kāi)始發(fā)送消息時(shí)，根據(jù)標(biāo)識(shí)符（以下稱(chēng)為ID）決定優(yōu)先級(jí)。ID并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)的消息的優(yōu)先級(jí)。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開(kāi)始發(fā)送消息時(shí)，對(duì)各消息ID的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級(jí)最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元?jiǎng)t立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理及傳輸

將北斗衛(wèi)星接收模塊采集到的機(jī)車(chē)經(jīng)緯度、霍爾傳感器采集到的速度數(shù)據(jù)、溫度傳感器和液位傳感器采集到的油箱及水箱溫度和液位數(shù)據(jù)以及其他傳感器采集到的數(shù)據(jù)分別由各自相連的STC15單片機(jī)預(yù)處理后按照CAN2.0B協(xié)議優(yōu)先級(jí)跟CAN1進(jìn)行通訊，CAN1通過(guò)收發(fā)器與建立連接，將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線(xiàn)傳至發(fā)送端核心處理器中進(jìn)行處理。

CAN節(jié)點(diǎn)硬件原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)采用STC15系列單片機(jī)[2]作為微處理器，SJAl000作為通信控制器，A1050/C為總線(xiàn)提供信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。發(fā)送端TX0與接收端RX0分別與CAN收發(fā)器A1050/C的TXD和RXD相連，A1050/C的CANH與CANL引腳直接與CAN總線(xiàn)電纜相連。

在傳輸線(xiàn)方面，因?yàn)樽鳂I(yè)環(huán)境惡劣，機(jī)車(chē)工作時(shí)受到各方面因素影響，比如機(jī)車(chē)的劇烈震動(dòng)對(duì)線(xiàn)纜強(qiáng)度的要求，其他設(shè)備布線(xiàn)密集產(chǎn)生的微波干擾等，因此選擇一款性能優(yōu)良，穩(wěn)定性強(qiáng)的電纜是確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定與準(zhǔn)確的前提。本系統(tǒng)專(zhuān)用的雙絞屏蔽線(xiàn)，如圖3所示。導(dǎo)線(xiàn)外部有導(dǎo)體包裹的導(dǎo)線(xiàn)叫屏蔽線(xiàn)，包裹的導(dǎo)體叫屏蔽層，為編織銅網(wǎng)，屏蔽層需要接地，外來(lái)的干擾信號(hào)可被該層導(dǎo)入大地，避免非目標(biāo)信號(hào)干擾內(nèi)層導(dǎo)體，同時(shí)降低傳輸信號(hào)的損耗。雙絞線(xiàn)采用了一對(duì)互相絕緣的金屬導(dǎo)線(xiàn)互相絞合的方式來(lái)抵御一部分外界電磁波干擾。把兩根絕緣的銅導(dǎo)線(xiàn)按一定密度互相絞在一起，可以降低信號(hào)干擾的程度，每一根導(dǎo)線(xiàn)在傳輸中輻射的電波會(huì)被另一根線(xiàn)上發(fā)出的電波抵消，提高抗干擾能力。

4 核心處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示、儲(chǔ)存

4.1 核心處理器對(duì)數(shù)據(jù)的處理及分析

μC/OS?III是一個(gè)可裁剪、可固話(huà)、可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核，管理任務(wù)的數(shù)目不受限制，是由著名的μC/OS?II發(fā)展而來(lái)，是第三代內(nèi)核。μC/OS?III針對(duì)以ARM Cor?tex[3]為代表的新一代CPU，面向帶有可用于優(yōu)先級(jí)查表的硬件指令的32位CPU的嵌入式應(yīng)用。

因?yàn)閭鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)只是簡(jiǎn)單溫度，比例等信息，所以需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理得到的才是真正的工況信息。其數(shù)據(jù)處理運(yùn)算基于μC/OS III。

作業(yè)面積的計(jì)算：

其中S表示做業(yè)面積；l表示農(nóng)機(jī)做業(yè)的寬度，在人機(jī)交互界面手動(dòng)輸入；d北表示北斗衛(wèi)星采集到的不同時(shí)間位置換算成距離信息；k為北斗衛(wèi)星采集到的機(jī)車(chē)做業(yè)距離所占的權(quán)重比。由于北斗衛(wèi)星和霍爾傳感器在采集信息方面均有一定的誤差，為了使計(jì)算準(zhǔn)確這里使用加入權(quán)重系數(shù)，使得兩者采集到的數(shù)據(jù)能夠互補(bǔ)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)兩者的準(zhǔn)確性，k值經(jīng)測(cè)試為60%；vhall為霍爾傳感器采集到的速度信息；ts為做業(yè)時(shí)間；ta是機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)間（包括行駛但未做業(yè)時(shí)間和行駛做業(yè)時(shí)間）。

油量維持時(shí)間的計(jì)算：通過(guò)采集單位時(shí)間的油耗結(jié)合近期耗油率（工作時(shí)間段的總油耗與工作時(shí)間之比），對(duì)當(dāng)前剩余油量能夠維持的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)，以供駕駛員參考和總臺(tái)終端設(shè)備監(jiān)測(cè)，其計(jì)算方式如下：

其中l(wèi)表示剩余油量；k表示權(quán)重系數(shù)。其原因與上文類(lèi)似，在此不早贅述，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得k的系數(shù)為75%。則由上式得到油量可維持時(shí)間假如<40 min則會(huì)給駕駛員發(fā)出提醒，提示加油，<20 min則發(fā)出聲音警告。

油箱和水箱的溫度由溫度采集模塊采集，經(jīng)CAN總線(xiàn)傳給核心處理器做出判斷，如果油箱溫度>80 ℃，或者水箱溫度>90 ℃則給駕駛員提出提醒。

4.2 顯示模塊

顯示裝置采用7寸TFT液晶屏配電阻式觸摸屏作為人交互界面，用于輸入機(jī)車(chē)的各項(xiàng)參數(shù)。并且屏幕不受灰塵、水汽和油污的影響，因此可以在較低或較高溫度的環(huán)境下使用。電阻式觸控屏的原理是壓力感應(yīng)，可以用任何物體來(lái)觸摸，即便是帶著手套也可以操作，并可以進(jìn)行手寫(xiě)識(shí)別。由于成熟的技術(shù)，較低的門(mén)檻和成本較為廉價(jià)，因此被廣泛應(yīng)用。電阻式觸摸屏是一種壓力傳感器，其工作原理是將矩形區(qū)域中觸摸點(diǎn)（X，Y）的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓。很多LCD模塊都采用了電阻式觸摸屏，這種屏幕可以用四線(xiàn)、五線(xiàn)、七線(xiàn)或八線(xiàn)來(lái)產(chǎn)生屏幕偏置電壓，同時(shí)讀回觸摸點(diǎn)的電壓。為了在電阻式觸摸屏特定方向上測(cè)量一個(gè)坐標(biāo)，需要對(duì)一個(gè)阻性層進(jìn)行偏置。

4.3 存儲(chǔ)模塊

采用SD卡作為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存介質(zhì)的儲(chǔ)存裝置，使用FATFS文件系統(tǒng)[4]。在配置了SD卡以及USB的驅(qū)動(dòng)之后，把FATFS文件系統(tǒng)代碼移值到工程之中，就可以利用文件系統(tǒng)的各種函數(shù)對(duì)已經(jīng)格式化的SD卡或者U盤(pán)進(jìn)行讀/寫(xiě)。軟件工程建立所用的集成開(kāi)發(fā)編譯環(huán)境為keilMDK4.12，再將μC/OS?III移值到工程當(dāng)中，初始化后，通過(guò)μC/OS?III的任務(wù)機(jī)制建立兩個(gè)任務(wù)，分別對(duì)SD卡以及USB接口進(jìn)行初始化。還需要將對(duì)SD卡以及USB讀寫(xiě)的函數(shù)放入到FATFS的底層函數(shù)中去，供上層函數(shù)調(diào)用，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有U盤(pán)連接上。當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到有U盤(pán)插入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行枚舉操作，從而知道設(shè)備具有什么功能、屬于哪一類(lèi)設(shè)備、要占用多少帶寬、使用哪類(lèi)傳輸方式及數(shù)據(jù)量大小，主機(jī)確定了這些信息之后，設(shè)備才能真正的正常工作。枚舉通過(guò)后USB設(shè)備會(huì)觸發(fā)名為OTG_FS_IRQHandler的中斷，在該中斷下最后會(huì)執(zhí)行用戶(hù)應(yīng)用程序USBH_MSC_Application，在該程序下將U盤(pán)中文件拷貝到SD當(dāng)中。USBH_MSC_Application，在該程序下將U盤(pán)中文件拷貝到SD當(dāng)中。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)作業(yè)機(jī)械上配備基于CAN總線(xiàn)的信息采集器，監(jiān)測(cè)機(jī)車(chē)在工作中的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)反饋信息做出判斷的檢測(cè)系統(tǒng)的研究與優(yōu)化，該文得到如下的結(jié)論。

（1）首先將傳感器得到數(shù)據(jù)利用STC15單片機(jī)預(yù)處理，再次利用CAN總線(xiàn)傳輸，經(jīng)過(guò)兩次的初始化處理提升了數(shù)據(jù)采集的可靠性。

（2）基于μC/OS?III內(nèi)核的嵌入式應(yīng)用，嚴(yán)格按照優(yōu)先級(jí)的系統(tǒng)運(yùn)算，將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)按照權(quán)重所占比例分配，優(yōu)化算法，保證了計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（3）顯示模塊的電阻式觸摸屏除了做到一模兩用，更加方便快捷操作的同時(shí)，也是作為人機(jī)交換的模塊參與到機(jī)車(chē)各種參數(shù)的設(shè)定與修正，提高了系統(tǒng)操作的準(zhǔn)確性。

（4）USB接口的應(yīng)用不僅可以方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)與擴(kuò)展，也可以擴(kuò)展產(chǎn)品的多功能性，延長(zhǎng)換代周期，促進(jìn)工作人員的再開(kāi)發(fā)。

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