李新宇 肖躍進 萬川

摘 要：針對我國單臺農(nóng)機作業(yè)面積越來越大，對農(nóng)機的工作狀況信息的采集要求越來越高的特點，該文對大型農(nóng)機的工況信息采集方面進行了分析，探討了CAN總線在大型農(nóng)機工況信息實時監(jiān)測方面的應用。設計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。

關鍵詞：CAN總線 大型農(nóng)機 工況檢測

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0058-02

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進程不斷加快，農(nóng)業(yè)機械化已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。由于農(nóng)業(yè)機械數(shù)量的快速增加，跨區(qū)作業(yè)能力的提高，農(nóng)機作業(yè)范圍越來越大。同時傳統(tǒng)農(nóng)機作業(yè)信息反饋實時性差，不能滿足機車的組織者和參與者對信息快捷、準確、詳細掌握的要求，不僅降低了農(nóng)機作業(yè)的工作效率和作業(yè)質(zhì)量，也造成了農(nóng)機的不合理配置，導致了資源的嚴重浪費，阻礙了現(xiàn)代化農(nóng)機作業(yè)的發(fā)展。因此，對農(nóng)業(yè)機械的信息化管理調(diào)度和安全作業(yè)的保障技術提出了更高的要求。良好的農(nóng)業(yè)機械管理調(diào)度和遠程作業(yè)工況信息實時監(jiān)測能夠確保農(nóng)機作業(yè)效率，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適時進行，對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展有著重要意義。

1 系統(tǒng)設計

在作業(yè)機械上配備信息采集器，監(jiān)測機車工作中的運行狀態(tài)，包括機車定位、發(fā)動機工作狀態(tài)，油耗，作業(yè)面積等，通過CAN總線傳至核心處理器，同時在核心處理器部分也可以通過人工干預，根據(jù)經(jīng)驗對算法做出適度調(diào)整，最終將核心處理器綜合分析得到數(shù)據(jù)及參數(shù)生成機車的工況信息，并由顯示模塊顯示，存儲模塊加以保存及發(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]進行采集，其輸出信號為0～5 V電壓信號，使用片內(nèi)帶有A/D轉換功能的STC15系列單片機將采集的電壓信號轉換成液位的實際值：

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，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。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。

機車地理位置信息采集使用得北斗二代衛(wèi)星接收模塊，通過實時采集機車的經(jīng)緯信息，并將數(shù)據(jù)通過CAN總線傳給核心處理器，以供使用。

利用霍爾傳感器對安裝在機車輪胎部位的磁性物體進行采集，通過STC15處理器轉換成速度信息，利用CAN總線將實時速度傳給核心處理器。

預留其他傳感器數(shù)據(jù)接口以便后續(xù)功能擴展?？紤]到信息技術的快速發(fā)展，產(chǎn)品使用周期及軟件更新的要求，對于后續(xù)其他可用功能有必要加以擴展，增加產(chǎn)品的多功能性，延長使用周期，促進工作人員的再開發(fā)能力。

3 利用CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸

3.1 CAN總線簡介及其特點

CAN全稱為控制器局域網(wǎng)絡（Control

ler Area Network），是著名的德國BOSCH公司開發(fā)，最終成為國際標準（ISO11898）。它是世界上使用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線。因此，近年來，其可靠性高、性能優(yōu)良、性價比高、差錯檢測能力強已引起人們的注意，被廣泛應用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。同時，在工業(yè)自動化，船舶，醫(yī)療設備，工業(yè)設備等，因為其協(xié)議開放，價格低廉，且使用相對簡單也已被廣泛認同。

該系統(tǒng)將可靠的CAN總線應用在農(nóng)業(yè)機械的工況檢測上，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。總線處于空閑狀態(tài)時，所有與總線相連的單元都可以開始發(fā)送新消息。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，根據(jù)標識符（以下稱為ID）決定優(yōu)先級。ID并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問總線的消息的優(yōu)先級。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，對各消息ID的每個位進行逐個仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元則立刻停止發(fā)送而進行接收工作。

3.3 數(shù)據(jù)預處理及傳輸

將北斗衛(wèi)星接收模塊采集到的機車經(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單片機預處理后按照CAN2.0B協(xié)議優(yōu)先級跟CAN1進行通訊，CAN1通過收發(fā)器與建立連接，將數(shù)據(jù)通過CAN總線傳至發(fā)送端核心處理器中進行處理。

CAN節(jié)點硬件原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)采用STC15系列單片機[2]作為微處理器，SJAl000作為通信控制器，A1050/C為總線提供信號驅(qū)動能力。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總線電纜相連。

在傳輸線方面，因為作業(yè)環(huán)境惡劣，機車工作時受到各方面因素影響，比如機車的劇烈震動對線纜強度的要求，其他設備布線密集產(chǎn)生的微波干擾等，因此選擇一款性能優(yōu)良，穩(wěn)定性強的電纜是確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定與準確的前提。本系統(tǒng)專用的雙絞屏蔽線，如圖3所示。導線外部有導體包裹的導線叫屏蔽線，包裹的導體叫屏蔽層，為編織銅網(wǎng)，屏蔽層需要接地，外來的干擾信號可被該層導入大地，避免非目標信號干擾內(nèi)層導體，同時降低傳輸信號的損耗。雙絞線采用了一對互相絕緣的金屬導線互相絞合的方式來抵御一部分外界電磁波干擾。把兩根絕緣的銅導線按一定密度互相絞在一起，可以降低信號干擾的程度，每一根導線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發(fā)出的電波抵消，提高抗干擾能力。

4 核心處理器對數(shù)據(jù)進行分析、顯示、儲存

4.1 核心處理器對數(shù)據(jù)的處理及分析

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

因為傳感器采集到的數(shù)據(jù)只是簡單溫度，比例等信息，所以需要進一步的數(shù)據(jù)處理得到的才是真正的工況信息。其數(shù)據(jù)處理運算基于μC/OS III。

作業(yè)面積的計算：

其中S表示做業(yè)面積；l表示農(nóng)機做業(yè)的寬度，在人機交互界面手動輸入；d北表示北斗衛(wèi)星采集到的不同時間位置換算成距離信息；k為北斗衛(wèi)星采集到的機車做業(yè)距離所占的權重比。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，為了使計算準確這里使用加入權重系數(shù)，使得兩者采集到的數(shù)據(jù)能夠互補，提高數(shù)據(jù)的準確性，根據(jù)兩者的準確性，k值經(jīng)測試為60%；vhall為霍爾傳感器采集到的速度信息；ts為做業(yè)時間；ta是機車運行時間（包括行駛但未做業(yè)時間和行駛做業(yè)時間）。

油量維持時間的計算：通過采集單位時間的油耗結合近期耗油率（工作時間段的總油耗與工作時間之比），對當前剩余油量能夠維持的時間進行預測，以供駕駛員參考和總臺終端設備監(jiān)測，其計算方式如下：

其中l(wèi)表示剩余油量；k表示權重系數(shù)。其原因與上文類似，在此不早贅述，經(jīng)實驗測得k的系數(shù)為75%。則由上式得到油量可維持時間假如<40 min則會給駕駛員發(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，用于輸入機車的各項參數(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，可以用任何物體來觸摸，即便是帶著手套也可以操作，并可以進行手寫識別。由于成熟的技術，較低的門檻和成本較為廉價，因此被廣泛應用。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（X，Y）的物理位置轉換為代表X坐標和Y坐標的電壓。很多LCD模塊都采用了電阻式觸摸屏，這種屏幕可以用四線、五線、七線或八線來產(chǎn)生屏幕偏置電壓，同時讀回觸摸點的電壓。為了在電阻式觸摸屏特定方向上測量一個坐標，需要對一個阻性層進行偏置。

4.3 存儲模塊

采用SD卡作為數(shù)據(jù)儲存介質(zhì)的儲存裝置，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)對已經(jīng)格式化的SD卡或者U盤進行讀/寫。軟件工程建立所用的集成開發(fā)編譯環(huán)境為keilMDK4.12，再將μC/OS?III移值到工程當中，初始化后，通過μC/OS?III的任務機制建立兩個任務，分別對SD卡以及USB接口進行初始化。還需要將對SD卡以及USB讀寫的函數(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)需要實時檢測是否有U盤連接上。當設備檢測到有U盤插入時，系統(tǒng)會對USB設備進行枚舉操作，從而知道設備具有什么功能、屬于哪一類設備、要占用多少帶寬、使用哪類傳輸方式及數(shù)據(jù)量大小，主機確定了這些信息之后，設備才能真正的正常工作。枚舉通過后USB設備會觸發(fā)名為OTG_FS_IRQHandler的中斷，在該中斷下最后會執(zhí)行用戶應用程序USBH_MSC_Application，在該程序下將U盤中文件拷貝到SD當中。USBH_MSC_Application，在該程序下將U盤中文件拷貝到SD當中。

5 結語

通過對作業(yè)機械上配備基于CAN總線的信息采集器，監(jiān)測機車在工作中的運行狀態(tài)，根據(jù)反饋信息做出判斷的檢測系統(tǒng)的研究與優(yōu)化，該文得到如下的結論。

（1）首先將傳感器得到數(shù)據(jù)利用STC15單片機預處理，再次利用CAN總線傳輸，經(jīng)過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)核的嵌入式應用，嚴格按照優(yōu)先級的系統(tǒng)運算，將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)按照權重所占比例分配，優(yōu)化算法，保證了計算數(shù)據(jù)的準確性。

（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，也是作為人機交換的模塊參與到機車各種參數(shù)的設定與修正，提高了系統(tǒng)操作的準確性。

（4）USB接口的應用不僅可以方便的進行數(shù)據(jù)讀寫與擴展，也可以擴展產(chǎn)品的多功能性，延長換代周期，促進工作人員的再開發(fā)。

參考文獻

[1] 王海國，魏明，靳筍.磁浮子液位計在長慶油田數(shù)字化建設中的應用[J].中國計量，2014（5）：109-110.

[2] 廉春原.基于SJA1000的CAN智能測控節(jié)點設計[J].內(nèi)江科技，2014（1）：58，73.

[3] 付晨.基于Cortex-M3的農(nóng)業(yè)大棚無線測控系統(tǒng)[D].濟南：山東大學，2012.

[4] 劉智勇，陳鵬飛，宿磊，等.基于STM32芯片的U盤/SD卡文件傳輸技術研究[J].現(xiàn)代電子技術，2014（18）：107-109.