李青龍，孫永佳，孫宜田，沈景新，陳　剛，竇青青

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南　250100)

?

基于DSP的深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制

李青龍，孫永佳，孫宜田，沈景新，陳剛，竇青青

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南250100)

摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)耕整地作業(yè)機(jī)械沒(méi)有智能化監(jiān)控裝置，機(jī)手和農(nóng)戶(hù)無(wú)法直接監(jiān)測(cè)耕深大小的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種基于DSP的深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)了耕深限值、作業(yè)幅寬的設(shè)置和當(dāng)前耕深、平均耕深、作業(yè)面積、作業(yè)速度的顯示，以及耕深超過(guò)限值的報(bào)警；具有耕深數(shù)據(jù)U盤(pán)存儲(chǔ)功能，便于農(nóng)戶(hù)核查機(jī)手的耕作質(zhì)量。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，誤差率低，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大的意義。

關(guān)鍵詞：耕整地作業(yè)機(jī)械；觸摸屏；監(jiān)控系統(tǒng)；U盤(pán)存儲(chǔ)

0引言

土壤耕整作業(yè)是一項(xiàng)基本的田間作業(yè)項(xiàng)目，耕深是衡量耕整作業(yè)機(jī)械作業(yè)性能的重要參數(shù)，在作業(yè)過(guò)程中是否穩(wěn)定、是否符合農(nóng)藝的要求則會(huì)直接影響耕作的效果[1]。耕整地機(jī)械在田間作業(yè)時(shí)，由于土壤條件變化和人員操作的差異，造成同一塊地耕整地深度不一致，直接影響作業(yè)質(zhì)量；而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的耕整地機(jī)械包括一些大型進(jìn)口耕整地機(jī)械均沒(méi)有智能化監(jiān)控裝置[2-4]。目前，國(guó)內(nèi)耕深的調(diào)節(jié)只是憑機(jī)手經(jīng)驗(yàn)大概調(diào)節(jié)，耕深的測(cè)量采用人工扒開(kāi)機(jī)具作業(yè)過(guò)的土層，露出作業(yè)土層的底部，然后采用鋼尺板進(jìn)行測(cè)量的方法。這種方式不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，且?guī)в胁淮_定性。隨著深松技術(shù)的推廣和深松機(jī)械的大量應(yīng)用，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一些深松監(jiān)控裝置，可以實(shí)時(shí)地顯示實(shí)際耕深，但不具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查看的功能[5-6]。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)時(shí)檢測(cè)耕深并具有數(shù)據(jù)記錄功能的深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)控制系統(tǒng)，使用者可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置機(jī)具的作業(yè)幅寬和作業(yè)耕深限值，作業(yè)過(guò)程中的實(shí)時(shí)耕深、平均耕深、作業(yè)面積和作業(yè)速度等參數(shù)通過(guò)觸摸屏進(jìn)行顯示；當(dāng)耕深超出設(shè)定的范圍時(shí)，觸摸屏進(jìn)行報(bào)警顯示。系統(tǒng)帶有U盤(pán)存儲(chǔ)功能，整個(gè)作業(yè)過(guò)程的作業(yè)參數(shù)通過(guò)USB總線(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在U盤(pán)中，并帶有時(shí)間標(biāo)簽，作業(yè)完畢可以讀取U盤(pán)中的數(shù)據(jù)，便于農(nóng)戶(hù)了解作業(yè)過(guò)程中的耕深變化情況。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總體方案

整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。包括測(cè)深機(jī)構(gòu)、DSP控制器和觸摸屏3個(gè)部分。通過(guò)固定板把測(cè)深機(jī)構(gòu)安裝在深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)的機(jī)架側(cè)邊，開(kāi)始作業(yè)前，根據(jù)農(nóng)藝要求和機(jī)具實(shí)際尺寸在觸摸屏上設(shè)定好耕深限值和作業(yè)幅寬。作業(yè)時(shí)，隨著深松鏟犁地深度的增加，仿形地輪向機(jī)具前進(jìn)方向的相反方向運(yùn)動(dòng)，連接架帶動(dòng)角度傳感器輸出角度值；DSP控制器實(shí)時(shí)讀取角度傳感器的檢測(cè)值，通過(guò)設(shè)定好的算法換算出實(shí)際的耕深值并通過(guò)觸摸屏顯示，當(dāng)實(shí)際耕深超過(guò)設(shè)定的限值時(shí)，觸摸屏進(jìn)行報(bào)警顯示。

圖1　控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2硬件電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括DSP算法單元、電源電路、速度檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、RS232、時(shí)鐘電路、U盤(pán)存儲(chǔ)電路和觸摸屏顯示電路。

圖2　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1　DSP芯片

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用TI公司的高性能32位浮點(diǎn)DSP芯片TMS320F28335作為控制芯片，該芯片包含單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，16×16位和32×32位乘法累加器，采用哈佛流水線(xiàn)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，能夠快速執(zhí)行中斷響應(yīng)，具有精度高、功耗小、成本低、數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)[7]。

2.2　電源電路

目前，市場(chǎng)上的拖拉機(jī)供電電瓶一般為12V，該電源在拖拉機(jī)工作過(guò)程中波動(dòng)比較大，特別是拖拉機(jī)打火啟動(dòng)的瞬間，電壓甚至?xí)档?.5V左右。為了保證系統(tǒng)的正常工作，必須提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源電壓，本文設(shè)計(jì)時(shí)選用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓電路LM2576HVS-5.0作為5V電源轉(zhuǎn)換芯片。該芯片內(nèi)含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23V)，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需要極少的外圍器件即可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。5V電源電路如圖3所示。

圖3　5V電源電路

TMS320F28335內(nèi)核電壓為1.9V，I/O引腳電壓為3.3V，選擇TI公司的雙路低壓差電源調(diào)整器TPS767D301作為DSP的供電芯片。TPS767D301芯片輸入電壓為5V，芯片起振正常工作之后，一路固定輸出3.3V，另一路輸出可調(diào)，設(shè)計(jì)中選取R17為20kΩ，R18為12kΩ，輸出為1.89V的內(nèi)核電壓，電源電路如圖4所示。

圖4　3.3V和1.8V電源電路

2.3　A/D轉(zhuǎn)換電路

本文選用Honeywell公司的霍爾效應(yīng)式旋轉(zhuǎn)位置傳感器來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的角度值變化，角度傳感器輸出信號(hào)為模擬量信號(hào)，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。TMS320F28335內(nèi)部集成了一個(gè)12位帶流水線(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換器具有快速轉(zhuǎn)換功能，時(shí)鐘頻率高達(dá)12.5MHz，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。為了使A/D轉(zhuǎn)換器達(dá)到更高的精度，在PCB布線(xiàn)時(shí)要保證連接到引腳ADCINxx的信號(hào)線(xiàn)盡量不要遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)線(xiàn)，以減少數(shù)字信號(hào)線(xiàn)上的開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的耦合干擾。

由于A/D采用通道自身的誤差，設(shè)計(jì)時(shí)利用A/D的兩路采樣通道來(lái)求得ADC存在的增益誤差和偏移誤差，并以此來(lái)校正其余14路A/D采樣通道。考慮到兩路校正通道的輸入電壓精度要求比較高，本文選用ADR421電壓基準(zhǔn)芯片來(lái)產(chǎn)生兩路基準(zhǔn)電壓，選擇ADC0和ADC8兩通道為校正通道，電路如圖5所示。

圖5　A/D電壓基準(zhǔn)電路

2.4　速度檢測(cè)電路

速度檢測(cè)電路如圖6所示。速度傳感器安裝在地輪處，為霍爾感應(yīng)式傳感器，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)感應(yīng)輸出高低變化的電平信號(hào)，通過(guò)光電耦合器TLP181隔離后反相輸出；為了保證信號(hào)的一致性，增加了反相器74HC14。由于DSP的I/O電壓為3.3V，反相器輸出的5V電壓通過(guò)74LVC4245轉(zhuǎn)換為3.3V進(jìn)入DSP的CAP引腳。

圖6　速度檢測(cè)電路

2.5　時(shí)間電路

為了便于農(nóng)戶(hù)核對(duì)耕作質(zhì)量，系統(tǒng)存儲(chǔ)的耕深值需帶有時(shí)間標(biāo)簽，本文采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)時(shí)芯片ISL12026IBZ來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)間，采用1Mbit存儲(chǔ)空間的鐵電存儲(chǔ)器FM24V10來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)間，兩個(gè)芯片通過(guò)I2C總線(xiàn)與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。時(shí)間電路如圖7所示。

圖7　時(shí)間電路

2.6　U盤(pán)存儲(chǔ)電路

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有U盤(pán)存儲(chǔ)功能，整個(gè)作業(yè)過(guò)程的耕深數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線(xiàn)存儲(chǔ)在U盤(pán)中，選用南京沁恒公司的CH376作為USB接口芯片，該芯片內(nèi)置1.5Mbps低速和12Mbps全速USB通訊協(xié)議，兼容USB V2.0，對(duì)USB的編程簡(jiǎn)單、代碼少，開(kāi)發(fā)周期短、成本低[8]。U盤(pán)存儲(chǔ)電路如圖8所示。其中，CH376與DSP之間通過(guò)SPI接口連接，INT#引腳連接DSP的外部中斷引腳，中斷請(qǐng)求低電平有效。UD+、UD-是USB的數(shù)據(jù)線(xiàn)接口，連接外部USB母口。

圖8　U盤(pán)存儲(chǔ)電路

3觸摸屏設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)所有的工作參數(shù)都通過(guò)觸摸屏進(jìn)行設(shè)置和顯示，控制器與觸摸屏之間通過(guò)RS232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，觸摸屏選用北京迪文公司的DMT80480T070觸摸屏，該屏為7.0英寸800×480圖形點(diǎn)陣。觸摸屏的開(kāi)發(fā)基于該公司的圖形界面、人機(jī)交互DGUS軟件，主界面如圖9所示。其可顯示作業(yè)過(guò)程中的速度、平均耕深、當(dāng)前耕深、作業(yè)面積、作業(yè)幅寬等參數(shù)?！案钤O(shè)置”用于設(shè)置系統(tǒng)的耕深限值，“幅寬設(shè)置”用于針對(duì)不同機(jī)型設(shè)置對(duì)應(yīng)的作業(yè)幅寬，使得系統(tǒng)具有良好的可移植性，點(diǎn)擊作業(yè)監(jiān)控按鈕可切換到攝像頭界面觀察機(jī)具的實(shí)際作業(yè)狀況。

迪文DGUS屏采用異步、全雙工串口，串口模式為8n1，即每個(gè)數(shù)據(jù)傳送采用10個(gè)位：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。設(shè)計(jì)時(shí)，串口的所有指令都是16進(jìn)制格式；對(duì)于字型(2個(gè)字節(jié))數(shù)據(jù)，采用高字節(jié)先傳送(MSB方式)。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)位、誤傳現(xiàn)象，控制器與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，CRC校驗(yàn)采用ANSI CRC-16格式。整個(gè)校驗(yàn)程序的流程圖如圖10所示。

圖9　觸摸屏主界面

圖10　CRC校驗(yàn)流程圖

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)具安裝完畢后，取測(cè)深機(jī)構(gòu)垂直向下的角度為初始角度0°。機(jī)具工作時(shí)，隨著深松鏟下降深度的增加，測(cè)深機(jī)構(gòu)向機(jī)具前進(jìn)方向的相反方向運(yùn)動(dòng)，連軸機(jī)構(gòu)帶動(dòng)角度傳感器圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)；角度傳感器輸出變化的角度值，通過(guò)公式計(jì)算轉(zhuǎn)換為實(shí)際的耕深值，計(jì)算示意圖如圖11所示。耕深計(jì)算公式為

h=H-(R·cosθ+r)

式中h—實(shí)際耕深(cm)；

H—支架旋轉(zhuǎn)中心到深松鏟尖的距離(cm)；

R—支架旋轉(zhuǎn)中心到地輪輪心的距離(cm)；

θ—角度變化值(弧度)

r—地輪半徑(cm)。

圖11　耕深計(jì)算示意圖

控制系統(tǒng)軟件流程如圖12所示。系統(tǒng)上電初始化之后，通過(guò)觸摸屏設(shè)置耕深限值和幅寬，在200μs定時(shí)中斷程序中實(shí)時(shí)采集角度傳感器和速度傳感器的數(shù)值；角度傳感器采集的模擬量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換子程序轉(zhuǎn)換為數(shù)字量用于計(jì)算實(shí)際耕深；速度傳感器輸入的脈沖量通過(guò)CAP模塊捕獲后經(jīng)速度計(jì)算子程序計(jì)算出實(shí)際速度和實(shí)際作業(yè)面積，作業(yè)參數(shù)計(jì)算完畢后通過(guò)串口通訊模塊送給觸摸屏進(jìn)行顯示。

圖12　系統(tǒng)軟件流程圖

5試驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在山東大華機(jī)械有限公司研制的1SZL系列深松整地機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，并在山東大華機(jī)械有限公司試驗(yàn)場(chǎng)做了大量田間試驗(yàn)，控制系統(tǒng)全程工作正常。試驗(yàn)時(shí)，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的多樣性，記錄機(jī)具行駛在不同作業(yè)速度下觸摸屏顯示的耕深數(shù)值和實(shí)際人工測(cè)量的耕深數(shù)值，所測(cè)數(shù)值和顯示值之間的對(duì)照及計(jì)算出來(lái)的相對(duì)誤差如表1所示。

表1　監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：本文設(shè)計(jì)的深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際耕深與顯示耕深的誤差均在6%以?xún)?nèi)，并且在不同的作業(yè)速度下測(cè)得，滿(mǎn)足田間作業(yè)要求，在實(shí)際耕作過(guò)程中的適用性比較好。

6結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于DSP的深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，實(shí)際工作時(shí)，既可以為機(jī)手調(diào)整耕深提供可靠的依據(jù)，改善了之前人工憑經(jīng)驗(yàn)粗放式調(diào)節(jié)方式，也可以為農(nóng)戶(hù)核查耕作情況提供數(shù)據(jù)依據(jù)，有效的化解了農(nóng)戶(hù)與機(jī)手之間的信任危機(jī)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，誤差率低，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]康杰，聶有紅，何家慧，等.耕深電子測(cè)量和顯示裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015，37(1):128-130.

[2]李向軍，許春林，趙大勇，等.耕整地機(jī)械耕深電子監(jiān)測(cè)裝置的研制[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013(8):23-25.

[3]蘆磊，許劍平，張鳳菊.耕整地機(jī)械新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方向[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2014(12):26-27.

[4]彭發(fā)智，張西群.深松技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].河北農(nóng)機(jī)，2010(2)：20.

[5]阿依燈·托列什，沙伊拉·哈丸，李博.耕深檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013,11(35):97-99.

[6]李玲，李志剛.耕深電子測(cè)試系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2001(10):21-22.

[7]劉陵順，高艷麗，張樹(shù)團(tuán)，等.TMS320F28335 DSP原理與開(kāi)發(fā)編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011:3.

[8]謝志英，鄭立評(píng)，寇應(yīng)展.基于CH376USB接口和MSP430單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012,25(11)：32-33.

Development of DSP-based Joint Operations Subsoiling Machine Monitoring System

Li Qinglong, Sun Yongjia, Sun Yitian, Shen Jingxin, Chen Gang, Dou Qingqing

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100，China)

Abstract：According to domestic tillage machinery lack of intelligent monitoring devices , tractor driver and peasant household can not directly monitor the tillage depth, developed a DSP-based joint operations subsoiling machine monitoring system. Set tillage depth limits and operating width, and display current tillage depth, average tillage depth, operating area, operating speed and give an alarm if the depth overtop the limits through the touching screen. The system has a function with U disk storage, easy to peasant household checking tillage quality of the tractor driver. The field experiment results show that the system run stably and reliably, error rate is low, to the agricultural production has great production significance and economic benefits.

Key words：tillage machinery； the touching screen；monitoring system；U disk storage

中圖分類(lèi)號(hào)：S222.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0118-05

作者簡(jiǎn)介：李青龍(1983-)，男，濟(jì)南人，工程師，碩士研究生，(E-mail)max212@163.com。通訊作者：孫宜田(1980-)，男，山東滕州人，工程師，碩士。

基金項(xiàng)目：山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015TG001)

收稿日期：2015-10-22