拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端技術(shù)研究

王新忠，王 熙，王少農(nóng)，莊衛(wèi)東

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

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拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端技術(shù)研究

王新忠，王 熙，王少農(nóng)，莊衛(wèi)東

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

為了將智能車載終端應(yīng)用于大型拖拉機(jī)上，對拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端技術(shù)進(jìn)行了研究。該車載智能終端系統(tǒng)由農(nóng)機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)解析器及車載計(jì)算機(jī)等組成。農(nóng)機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)解析器根據(jù)ISO11783 農(nóng)機(jī)CAN總線協(xié)議，對拖拉機(jī)作業(yè)產(chǎn)生的CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并使用VB6.0軟件編寫了車載計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序。該程序能夠?qū)馕龊蟮腃AN數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲、傳輸和顯示。車載智能終端具有拖拉機(jī)作業(yè)參數(shù)實(shí)時監(jiān)測、作業(yè)軌跡顯示、虛擬儀表等功能，能夠輔助駕駛操作和精準(zhǔn)管理。

拖拉機(jī)；CAN總線；智能終端；作業(yè)監(jiān)測

0 引言

現(xiàn)代化大型拖拉機(jī)安裝有CAN總線系統(tǒng)，并有與之配套的車載智能終端，實(shí)時監(jiān)測拖拉機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，方便對其進(jìn)行管理和操作。

筆者設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的拖拉機(jī)車載智能終端，可以用于大型拖拉機(jī)作業(yè)監(jiān)測。車載智能終端集車載計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件編程等技術(shù)為一體，通過對軟件和硬件的配置，超越傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)儀表的功能，具有圖形及數(shù)字混合顯示、虛擬儀表及操作方便等特點(diǎn)。

20世紀(jì)80年代,德國博世(BOSCH)公司為實(shí)現(xiàn)車輛電子設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信互聯(lián)而開發(fā)了一種串行數(shù)據(jù)通信總線，即CAN(Controller Area Network)。因?yàn)镃AN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在ISO有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中為總線式，所以稱之為CAN總線[1]。

隨著農(nóng)機(jī)信息化和智能化水平的不斷提升，其數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化程度越來越高，以減少互聯(lián)成本和增加產(chǎn)品的適用性。ISO 11783農(nóng)機(jī)CAN總線是大型農(nóng)機(jī)與農(nóng)機(jī)具之間進(jìn)行通信與管理的國際標(biāo)準(zhǔn)總線接口。其目的是要實(shí)現(xiàn)不同國家和不同品牌的農(nóng)業(yè)機(jī)械之間的兼容性和標(biāo)準(zhǔn)化，使其能夠使用相同的標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議。例如，起壟播種作業(yè)時需要同時使用衛(wèi)星導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)和播種監(jiān)控系統(tǒng)，這可能需要兩個顯示終端進(jìn)行操作。拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端提供了一個統(tǒng)一的作業(yè)數(shù)據(jù)通信及監(jiān)控管理平臺，不再需要為每一個農(nóng)機(jī)具配備不同的控制終端，只需一個單獨(dú)的拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端，即可實(shí)現(xiàn)同時對不同的農(nóng)機(jī)具進(jìn)行監(jiān)視和控制[2]。

拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端(見圖1)還可以實(shí)現(xiàn)使用一個智能終端對不同品牌的農(nóng)機(jī)具進(jìn)行監(jiān)視、操作、控制和設(shè)置。這意味著可以使用ISO-11783 BUS通用連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)“即插即用”，而無需為拖拉機(jī)準(zhǔn)備多個協(xié)議插頭和轉(zhuǎn)換器。因此，拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端特別適用于使用不同國家、不同品牌的農(nóng)機(jī)具進(jìn)行整地、起壟、播種、中耕、噴施和收獲作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)信息標(biāo)準(zhǔn)化提供了技術(shù)裝備基礎(chǔ)，也為農(nóng)機(jī)作業(yè)管理提供了便利條件[3]。

圖1 拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端

1 國內(nèi)外主要農(nóng)機(jī)智能終端

1.1 國外主要農(nóng)機(jī)智能終端

目前，國際上農(nóng)機(jī)CAN總線智能終端主要為美國約翰迪爾(John Deere)公司的GreenStar系列智能終端、美國凱斯(CASE)公司AFS系列智能終端和格蘭(Kverneland)公司的ISO Match Tellus系列智能終端。

1)美國約翰迪爾公司智能終端。美國約翰迪爾公司Green Star系列CAN總線車載智能終端可以過AEF(ISO BUS農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電子基金會)的授權(quán)，使用ISO Task Control功能控制第三方機(jī)具。其具有視頻監(jiān)控功能，能夠通過攝像頭在駕駛室內(nèi)對農(nóng)機(jī)具作業(yè)情況進(jìn)行視頻監(jiān)控，也可以通過遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，隨時了解農(nóng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)。

2)美國凱斯公司智能終端。美國凱斯公司AFS系列智能終端能夠通過其特有的AFS監(jiān)控接口兼容絕大多數(shù)品牌的具有CAN總線接口的農(nóng)機(jī)具。農(nóng)機(jī)作業(yè)人員可以利用智能終端中的AFS軟件地理信息功能，對作業(yè)地塊進(jìn)行進(jìn)一步的了解，使其可以根據(jù)作業(yè)地塊實(shí)際情況對農(nóng)機(jī)具進(jìn)行設(shè)定，從而達(dá)到精確作業(yè)的目的。

3)挪威格蘭公司智能終端。挪威格蘭公司ISO Match Tellus車載CAN總線智能終端能夠同時連接兩個ISO-11783 CAN BUS接口，可同時對兩個接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。其中，一個CAN接口可以對非格蘭品牌拖拉機(jī)ECU數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，另一個CAN接口可以連接格蘭GPS接收機(jī)或其他品牌的GPS接收機(jī)。

1.2 國內(nèi)農(nóng)機(jī)智能終端

1)司南公司農(nóng)機(jī)智能終端。司南公司農(nóng)機(jī)智能終端用于衛(wèi)星導(dǎo)航自動駕駛，是集用戶界面顯示、作業(yè)數(shù)據(jù)顯示、作業(yè)模式調(diào)整等功能于一體的綜合性農(nóng)機(jī)智能終端。該終端能夠自動計(jì)算作業(yè)面積，可進(jìn)行田塊資料儲存，便于隨時查閱，不必每年規(guī)劃行走作業(yè)路線，為各個環(huán)節(jié)的農(nóng)機(jī)作業(yè)如翻地、耙地、旋耕、起壟、播種、噴藥、收獲等提供衛(wèi)星導(dǎo)航幫助。

2)中海達(dá)公司農(nóng)機(jī)智能終端。中海達(dá)公司農(nóng)機(jī)智能終端采用一體化設(shè)計(jì)。內(nèi)置北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，采用其獨(dú)有的Smart Heading等多項(xiàng)專利技術(shù)，導(dǎo)航定位精度為2cm，標(biāo)配8英寸高亮液晶觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)機(jī)駕駛數(shù)據(jù)的顯示和農(nóng)機(jī)駕駛的操控；采用工業(yè)級三防設(shè)計(jì)，可在嚴(yán)酷環(huán)境下使用。

2 車載智能終端總體設(shè)計(jì)

針對黑龍江墾區(qū)廣泛使用進(jìn)口大型拖拉機(jī)進(jìn)行大規(guī)模現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)生產(chǎn)作業(yè)的情況，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)研究中心研制了拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端，主要應(yīng)用在具有CAN總線接口的進(jìn)口大型拖拉機(jī)上。

拖拉機(jī)CAN總線系統(tǒng)及車載智能終端在拖拉機(jī)中的布置如圖2所示。拖拉機(jī)內(nèi)部的發(fā)動機(jī)ECU、變速箱ECU及后懸掛ECU組成的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，采集拖拉機(jī)作業(yè)CAN總線數(shù)據(jù)，通過農(nóng)機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)解析器對CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和解析；通過RS-232串口通信接口傳輸?shù)杰囕d計(jì)算機(jī)中，同時作業(yè)數(shù)據(jù)可以在車載計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲，或者通過遠(yuǎn)程無線傳輸模塊傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。其可以處理、分析作業(yè)數(shù)據(jù)，并顯示、打印所需的曲線或報(bào)表，使其應(yīng)用性大為提高[4]。

1.車載計(jì)算機(jī) 2.農(nóng)機(jī)CAN總線網(wǎng)橋 3.發(fā)動機(jī)ECU 4.變速箱ECU 5.后懸掛ECU

車載計(jì)算機(jī)作為拖拉機(jī)CAN總線智能終端中的控制和顯示終端，主要擁有以下功能：

1)作業(yè)數(shù)據(jù)通信。車載計(jì)算機(jī)通過RS-232接口與CAN總線數(shù)據(jù)解析器相連，CAN總線數(shù)據(jù)解析器通過ISO-CAN BUS接口與拖拉機(jī)內(nèi)部CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2)作業(yè)數(shù)據(jù)處理和顯示。車載計(jì)算機(jī)內(nèi)的軟件對接收到的作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過液晶觸控顯示器對拖拉機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，使其顯示更加直觀、簡潔，方便操作人員對農(nóng)機(jī)作業(yè)情況的了解。

3 車載智能終端硬件

拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端硬件部分主要分為上位機(jī)(車載計(jì)算機(jī))和下位機(jī)(以單片計(jì)算機(jī)為核心的CAN總線數(shù)據(jù)解析器)。車載計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)作業(yè)數(shù)據(jù)處理與顯示，CAN總線數(shù)據(jù)解析器負(fù)責(zé)CAN數(shù)據(jù)的采集、篩選及解析，如圖3所示。

為了采集和解析拖拉機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)信息，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)研究中心研制了CAN總線數(shù)據(jù)解析器，用于采集、篩選及解析拖拉機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)。

圖3 拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端系統(tǒng)框圖

3.1 CAN總線數(shù)據(jù)解析器

CAN總線數(shù)據(jù)解析器主要由CAN數(shù)據(jù)提取電路、CAN數(shù)據(jù)解析電路、RS-232串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、看門狗及復(fù)位電路及穩(wěn)壓電路等組成，如圖4所示。

SJA1000芯片用于拖拉機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)采集，拖拉機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)通過SJA1000芯片傳送到單片計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[5]。

圖4 農(nóng)機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)解析器

STC89C52RC單片機(jī)為農(nóng)機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)解析器核心，具有低功耗、高性能及成本低廉的特點(diǎn)，可采用Keil C軟件進(jìn)行編程等。

單片計(jì)算機(jī)對采集到的CAN數(shù)據(jù)根據(jù)ISO 11783農(nóng)機(jī)CAN總線協(xié)議，進(jìn)行相應(yīng)的ID篩選，得到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)油耗、發(fā)動機(jī)負(fù)荷、發(fā)動機(jī)工作小時數(shù)、經(jīng)緯度、高程、拖拉機(jī)懸掛位置、當(dāng)前日前及時間等信息數(shù)據(jù)幀，并按照協(xié)議進(jìn)行具體實(shí)際參數(shù)值的解析，從而得到拖拉機(jī)作業(yè)時各具體參數(shù)值；然后，通過RS-232串口輸出到車載計(jì)算機(jī)中[6]。

3.2 車載計(jì)算機(jī)

車載計(jì)算機(jī)是拖拉機(jī)CAN總線智能終端系統(tǒng)中的處理、顯示及操作部分，集處理、存儲、顯示、輸入輸出等功能于一體，可以方便、快捷地對拖拉機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。

選用臺灣新漢公司VMC1000型車載計(jì)算機(jī)，如圖5所示。該機(jī)采用一體機(jī)設(shè)計(jì)，7英寸LED背光液晶觸控屏幕，安裝有Win XP操作系統(tǒng)，緊湊無風(fēng)扇設(shè)計(jì),鋁合金外殼，采用1.0GHz Intel?AtomTME640處理器,1GB內(nèi)存,寬電壓6～36V直流電源輸入。

圖5 臺灣新漢公司VMC1000型車載計(jì)算機(jī)

VMC1000型車載計(jì)算機(jī)采用鋁合金外殼，比較堅(jiān)固，不容易被損壞；采用全封閉結(jié)構(gòu)，具有良好的“三防”(防水、防潮、防塵)性能，適合在惡劣的作業(yè)環(huán)境中使用。

因?yàn)閂MC1000型車載計(jì)算機(jī)只有RS-232接口，沒有CAN總線接口，無法直接接受CAN數(shù)據(jù)，所以需要CAN總線數(shù)據(jù)解析器進(jìn)行采集、篩選和解析后通過RS-232串口傳輸?shù)杰囕d計(jì)算機(jī)中。

4 車載智能終端軟件

拖拉機(jī)CAN總車載線智能終端中的VMC1000型車載計(jì)算機(jī)使用Win XP操作系統(tǒng)，因此車載計(jì)算機(jī)使用了VB6.0軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。VB6.0軟件是一款簡單、易用的可視化軟件開發(fā)平臺，主要由初始化主程序模塊、作業(yè)數(shù)據(jù)處理顯示存儲程序模塊及虛擬儀表顯示程序模塊等成[7]。

4.1 作業(yè)數(shù)據(jù)處理顯示存儲程序模塊

車載計(jì)算機(jī)通過作業(yè)數(shù)據(jù)處理顯示存儲程序模塊，對拖拉機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理顯示和存儲，程序流程框圖如圖6所示。作業(yè)數(shù)據(jù)處理顯示和存儲包括串行數(shù)據(jù)串?dāng)?shù)據(jù)提取、經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、作業(yè)數(shù)據(jù)顯示、作業(yè)軌跡顯示及作業(yè)數(shù)據(jù)存儲等。

利用VB6.0軟件提供的MSComm通信控件編寫RS232串口通信程序,完成了上位機(jī)(車載計(jì)算機(jī))與下位機(jī)(以單片計(jì)算機(jī)為核心的CAN總線數(shù)據(jù)解析器)之間的RS-232串行口通信[8]。

圖6 車載計(jì)算機(jī)程序流程框圖

軟件界面中的RS-232數(shù)據(jù)接收區(qū)可顯示通過CAN總線數(shù)據(jù)解析器轉(zhuǎn)換后的作業(yè)數(shù)據(jù)，可顯示拖拉機(jī)作業(yè)時的日期、時間、經(jīng)緯度、高程、發(fā)動機(jī)油耗及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等實(shí)際作業(yè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)還可以通過遠(yuǎn)程無線傳輸模塊傳送到主控制中心進(jìn)行同步大屏幕顯示，方便管理者進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

現(xiàn)代大型拖拉機(jī)上安裝有GPS接收機(jī)，GPS接收機(jī)具有CAN總線接口，因此CAN總線中有經(jīng)度、緯度、高程、當(dāng)前日期及時間等信息；通過軟件對以上信息進(jìn)行處理，不僅能對拖拉機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航定位，還能夠根據(jù)經(jīng)緯度信息繪制出拖拉機(jī)作業(yè)行走軌跡圖，如圖7所示。該軌跡圖能夠?qū)崟r顯示作業(yè)軌跡，同時根據(jù)作業(yè)地塊面積大小進(jìn)行實(shí)時縮放調(diào)整，能夠更好地輔助駕駛員進(jìn)行作業(yè)。

圖7 作業(yè)數(shù)據(jù)及作業(yè)軌跡顯示

4.2 虛擬儀表顯示程序模塊

為了將拖拉機(jī)作業(yè)時的油耗、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的顯示更加直觀、簡便、易于理解，本系統(tǒng)使用VB6.0軟件設(shè)計(jì)了基于車載計(jì)算機(jī)的虛擬儀表顯示程序模塊。虛擬儀表具有智能化程度高、成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求對虛擬儀表進(jìn)行設(shè)計(jì)與集成。

首先在VB6.0源程序中添加ActiveX控件，并根據(jù)拖拉機(jī)儀表盤的外形及量程對其進(jìn)行修改；然后，在代碼編輯窗口中輸入程序代碼完成虛擬儀表指針轉(zhuǎn)動角度的設(shè)計(jì)。車載計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的虛擬儀表如圖8所示。

圖8 虛擬儀表

5 車載智能終端測試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端的實(shí)際使用效果，對其進(jìn)行了測試試驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 車載智能終端測試試驗(yàn)

使用農(nóng)機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)記錄回放儀播放2015年6月黑龍江省榮軍農(nóng)場約翰迪爾7830型拖拉機(jī)作業(yè)時所記錄的CAN總線數(shù)據(jù)信號，向CAN總線數(shù)據(jù)解析器發(fā)送約翰迪爾7830型拖拉機(jī)作業(yè)CAN總線數(shù)據(jù)。CAN總線數(shù)據(jù)解析器根據(jù)的CAN數(shù)據(jù)ID編號判別其發(fā)送優(yōu)先級,按照優(yōu)先級從高到低的順序進(jìn)行采集、篩選和解析；然后將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送給車載計(jì)算機(jī),車載計(jì)算機(jī)接收來自CAN總線數(shù)據(jù)解析器串口的信息,在車載計(jì)算機(jī)液晶顯示器上顯示出來[9]。

測試表明：該智能終端具有良好的人機(jī)交互界面，運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，較好地解決了車載計(jì)算機(jī)與拖拉機(jī)CAN總線實(shí)時通訊問題，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)CAN總線車載智能終端對拖拉機(jī)作業(yè)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控[10]。

6 結(jié)論

1)針對車載計(jì)算機(jī)與拖拉機(jī)CAN總線通訊的問題，設(shè)計(jì)出了基于STC89C52RC單片機(jī)的CAN總線數(shù)據(jù)采集解析器，實(shí)現(xiàn)了對拖拉機(jī)作業(yè)的實(shí)時監(jiān)控，完成了對拖拉機(jī)作業(yè)實(shí)時CAN總線數(shù)據(jù)采集、篩選、解析等。

2)開發(fā)了基于車載計(jì)算機(jī)的應(yīng)用軟件，利用VB6.0軟件可視化編程和串口鏈接功能，編寫具有RS-232數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)和作業(yè)軌跡顯示、數(shù)據(jù)存儲、虛擬儀表等功能的軟件。

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Research on the Technology of CAN Bus on Vehicle Intelligence Terminal for Tractor

Wang Xinzhong, Wang Xi, Wang Shaonong, Zhuang Weidong

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

In order to apply intelligent vehicle terminal to the heavy tractor, the intelligent terminal technology of CAN bus is studied.The vehicle intelligent terminal system is composed of a CAN bus data parser,a vehicle mounted computer, and the like. Agricultural machinery can bus data parser based on iso11783 agricultural can bus protocol, on tractor can data analysis, and uses VB6.0 software to compile the on-board computer application program, the program can and processing, storage, transmission and display of can parse the data. The vehicle intelligent terminal has the function of real-time monitoring, working track display,virtual instrument and so on,which can carry on the assistant driving operation and the precision management.

tractor; CAN bus; intelligent terminal; operation monitoring

2016-01-22

“十二五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA040401)；黑龍江省大慶市項(xiàng)目(szdfy-2015-28)

王新忠(1963-)，女，河北玉田人，教授，(E-mail)ndwxz@126.com。

S219.033

A

1003-188X(2017)02-0210-05