劉曉光,張亞靖，胡靜濤，劉秀玲

(1.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定　071002；2.中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所，沈陽　110016)

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基于CAN總線的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉曉光1,張亞靖1，胡靜濤2，劉秀玲1

(1.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定071002；2.中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所，沈陽110016)

摘要：農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端是實(shí)施農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制和變量作業(yè)的重要裝置。為了更方便地管理農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、促進(jìn)智能化農(nóng)業(yè)裝備的國產(chǎn)化，基于CAN總線技術(shù)，針對(duì)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端。該農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端在硬件設(shè)計(jì)方面支持串口和CAN兩種通信模式，在軟件方面實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制所需的路徑設(shè)置、任務(wù)設(shè)置、作業(yè)視圖監(jiān)控和報(bào)警等基本功能。車載試驗(yàn)表明：該農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的管理和農(nóng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控，同時(shí)也大大方便了技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)的記錄和分析等調(diào)試工作。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端；CAN；視圖；路徑規(guī)劃；農(nóng)機(jī)

0引言

農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端是實(shí)施農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制和變量作業(yè)的重要裝置。伴隨精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家相繼開展了智能化農(nóng)業(yè)裝備的研發(fā)，相繼研發(fā)了各種商業(yè)化的智能化農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)品，如Case HI公司的AFS系列產(chǎn)品、John Deree公司的GreenStar 系列產(chǎn)品及AGCO公司的Field Star系列產(chǎn)品等[1-3]。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端是實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必備裝備之一，無論是精準(zhǔn)耕作、精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)播種、精準(zhǔn)噴藥還是精準(zhǔn)灌溉，都需要農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端來實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、導(dǎo)航任務(wù)設(shè)定和作業(yè)任務(wù)設(shè)定等，可以說農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的人機(jī)交互中心。

我國關(guān)于智能化農(nóng)業(yè)裝備進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的科研成果[4-9]。近年來，先后在北京、黑龍江和新疆等地建立了一定規(guī)模的實(shí)驗(yàn)區(qū)，并引進(jìn)了一批智能化的農(nóng)業(yè)裝備進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)和應(yīng)用研究。但整體來看，我國主要依靠引進(jìn)國外技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行消化吸收，研發(fā)的產(chǎn)品功能較為單一，擴(kuò)展性較差，不能形成一整套完備的系統(tǒng)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂了農(nóng)林業(yè)機(jī)械專用的一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)ISO11783協(xié)議[10-13]，采用ISO11783協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端、導(dǎo)航控制器和變量作業(yè)控制器等智能裝備接口的標(biāo)準(zhǔn)化和國際化，從而實(shí)現(xiàn)各種傳感器信息及控制信息的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸。因此，開發(fā)基于CAN總線農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)各種信息的標(biāo)準(zhǔn)化傳輸和共享，方便設(shè)備的集成組裝和維護(hù)，而且能夠顯著地降低智能化農(nóng)業(yè)裝備的成本，促進(jìn)智能化裝備在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。

本文基于CAN總線通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種適合于農(nóng)機(jī)的智能導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端，并進(jìn)行了實(shí)際車載試驗(yàn)。

1導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端通信協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1　ISO11783協(xié)議

ISO11783是農(nóng)林業(yè)機(jī)械專用的一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)[13]。ISO11783標(biāo)準(zhǔn)采用控制局域網(wǎng)總線協(xié)議CAN 2.0B作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，制定了農(nóng)機(jī)總線通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。ISO11783協(xié)議分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如圖1所示。

圖1　ISO11783模型

ISO11783協(xié)議定義的數(shù)據(jù)鏈路層報(bào)文的格式如圖2所示。其中，Pri占用3位代表報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，R和DP各占用1位，分別為保留位和數(shù)據(jù)頁，PF是PDUFormat的簡寫占用1個(gè)字節(jié)，PF用來表示PDU的種類和數(shù)據(jù)域中部分?jǐn)?shù)據(jù)的意義，可以標(biāo)識(shí)PDU的種類及部分地標(biāo)識(shí)其數(shù)據(jù)域中數(shù)據(jù)的含義。PS是PDU Specific的簡寫占用1個(gè)字節(jié)，用來與PF一起來確定報(bào)文種類。SA是源地址占用1個(gè)字，用來區(qū)分不同的設(shè)備。DataField占用8個(gè)字節(jié)，用來存儲(chǔ)所要處理的數(shù)據(jù)。

圖2　ISO11783數(shù)據(jù)鏈路層報(bào)文

1.2　農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端通信協(xié)議設(shè)計(jì)

根據(jù)ISO11783協(xié)議報(bào)文PF的取值，PDU分為PDU1和PDU2：當(dāng)PF≤239時(shí)為PDU1；當(dāng) PF≥240時(shí)為PDU2。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端總線協(xié)議采用廣播方式向總線上收發(fā)數(shù)據(jù)。為了使協(xié)議的應(yīng)用更加簡便，定義優(yōu)先級(jí)、保留位及數(shù)據(jù)頁分別為零，PF固定為0xFF。采用SA來區(qū)分不同的設(shè)備，采用PS來區(qū)別不同的信息類型。SA可定義200種多設(shè)備，PS的其他6位作為幀信息類型的編碼可定義64種不同的消息類型，完全能夠滿足農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端的需求。其具體地址分配如表1所示。

表1　地址分配表

2農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)

由于農(nóng)機(jī)田間作業(yè)的環(huán)境非常復(fù)雜，所以農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端的設(shè)計(jì)應(yīng)具備結(jié)構(gòu)緊湊、顯示直觀及操作簡便的特點(diǎn)。本文以ARM9處理器及觸摸屏為核心，采用 Windows CE 操作系統(tǒng)基于CAN總線完成了農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1　硬件設(shè)計(jì)

由于農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端需要完成農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)態(tài)顯示及路徑規(guī)劃等對(duì)計(jì)算要求很高的功能，所以選擇具有浮點(diǎn)運(yùn)算能力的LPC3250 作為農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端的核心處理器。LPC3250基于32位ARM926EJ-S內(nèi)核設(shè)計(jì)，內(nèi)部帶有矢量浮點(diǎn)協(xié)處理器(VFP)，VFP協(xié)處理器在標(biāo)量模式下能將典型的計(jì)算速度提高4~5倍，在優(yōu)化矢量模式下則提高得更多。農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。

圖3　農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

由于選用的LPC3250芯片內(nèi)部都沒有CAN控制器，為了保證農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端具有CAN通信的功能，利用LPC3250的數(shù)據(jù)和地址總線及片選信號(hào)等擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了CAN通信。采用的CAN通信模塊由CAN控制器SJA1000T和CAN驅(qū)動(dòng)器CTM8251T構(gòu)成。SJA1000T是一款獨(dú)立的CAN 控制器，具有PeliCAN工作模式，支持具CAN 2.0B協(xié)議。CTM8251T是一款帶隔離的通用 CAN 驅(qū)動(dòng)器芯片，內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離和CAN收、發(fā)器件，不必添加額外的電路就能夠?qū)崿F(xiàn)帶隔離的 CAN收發(fā)電路。

另外，考慮到用戶操作的簡便和快捷，農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端采用觸摸屏的輸入輸出方式，具有非常友好的人機(jī)交互功能。為了方便存儲(chǔ)任務(wù)信息、導(dǎo)航路徑規(guī)劃信息、變量作業(yè)和處方圖以及農(nóng)機(jī)作業(yè)記錄等信息，農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端中設(shè)計(jì)了一個(gè)SD卡接口。設(shè)計(jì)完成的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端實(shí)物如圖4所示。

2.2　軟件設(shè)計(jì)

嵌入式領(lǐng)域中主流的圖形操作系統(tǒng)有 Linux、VxWorks及Windows CE等。Linux的成本低，但是開發(fā)難度較高；VxWorks多用于航空航天等專業(yè)性領(lǐng)域，價(jià)格昂貴；Windows CE是微軟公司推出的嵌入式操作系統(tǒng)，開發(fā)方法與Windows 桌面程序相似，容易操作，占用資源少，可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。因此，本研究選擇Windows CE作為農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端的操作系統(tǒng)。

農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端軟件主要包括4個(gè)功能模塊：參數(shù)設(shè)置模塊、任務(wù)設(shè)置模塊、作業(yè)顯示模塊和報(bào)警模塊，如圖5所示。該軟件最大的特點(diǎn)是操作簡單，層次結(jié)構(gòu)清晰，使用非常方便。

圖4　農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端實(shí)物圖

圖5　農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端軟件結(jié)構(gòu)圖

參數(shù)設(shè)置模塊主要完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、控制參數(shù)設(shè)置和機(jī)械參數(shù)的設(shè)置等功能。任務(wù)模塊主要完成任務(wù)的建立和任務(wù)的管理等功能。作業(yè)顯示模塊主要完成顯示農(nóng)機(jī)的作業(yè)路徑和作業(yè)狀態(tài)，包括機(jī)器視圖和田間視圖兩種，每種視圖都能放大或縮小，并顯示車輛當(dāng)前的位置。其中，機(jī)器視圖用于跟蹤機(jī)械的作業(yè)狀態(tài)，車輛在地圖上保持不動(dòng)，而地圖移動(dòng)，車輛行駛方向總是朝向地圖上方；農(nóng)田視圖是一個(gè)鳥瞰視圖，視圖中車輛移動(dòng)，地圖保持不動(dòng)，能夠看到田間作業(yè)的整體情況。報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控，并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警。圖6為農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端管理軟件的部分界面。

圖6　農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端管理軟件

3車載應(yīng)用試驗(yàn)

為了驗(yàn)證農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端的實(shí)際性能，將農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端與插秧機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行了實(shí)際車載試驗(yàn)，如圖7所示。重點(diǎn)針對(duì)農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端的路徑下載、導(dǎo)航控制、控制參數(shù)設(shè)置及視圖監(jiān)控等性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。試驗(yàn)表明：該農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端不僅能夠提供比較友好的人機(jī)交互界面，而且為后續(xù)系統(tǒng)的開發(fā)以及功能測(cè)試提供了非常便利的條件。

圖7　農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端車載實(shí)驗(yàn)

4結(jié)論

農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端是智能化農(nóng)業(yè)裝備的關(guān)鍵設(shè)備之一，本文重點(diǎn)針對(duì)農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了一款人機(jī)交互裝置，初步實(shí)現(xiàn)了的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航路徑的跟蹤、路徑下載和任務(wù)管理等基本功能。本設(shè)計(jì)只是農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)開端，農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)終端系統(tǒng)的開發(fā)還有許的問題，如其三維視圖的設(shè)計(jì)及路徑規(guī)劃問題等，都需要進(jìn)一步的研究。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0133-EA

Design and Implementation of Terminal Based on CAN for Agricultural Vehicle Navigation Control System

Liu Xiaoguang1, Zhang Yajing1, Hu Jingtao2， Liu Xiuling1

(1.College of Electronic and Information Engineering，Hebei University, Baoding 071002，China; 2.Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China)

Abstract：Terminal for agricultural vehicle navigation control system is one of the important devices to automatic navigation control of agricultural vehicle.In order to better manage the agricultural vehicle navigation system and promoting intelligent agricultural equipment localization the thesis designed a terminal for agricultural vehicle navigation control system based on CAN bus.In the field of hardware,the terminal supports two kinds of communication mode that serial port and CAN.In the field of software, the terminal realize path settings,task settings, map view, monitoring and alarm for the automatic navigation of agricultural vehicle.Vehicle test show that the terminal not only can effectively achieve the management of the navigation system and state monitoring for agricultural vehicle but also greatly facilitates the data recording and analysis for technical people.

Key words：terminal； CAN; map view; route plan; agricultural vehicle

中圖分類號(hào)：S24；TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0133-04

作者簡介：劉曉光(1983-),男，河北保定人，講師，(E-mail) lxg_hbu@163.com。

基金項(xiàng)目：河北省教育廳項(xiàng)目(QN2015071)；保定市科技局項(xiàng)目(15ZG010)

收稿日期：2015-10-15