劉傳茂，王　熙

(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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農(nóng)機(jī)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)—基于CAN總線

劉傳茂，王熙

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

摘要：隨著CAN總線的發(fā)展應(yīng)用，越來越多的農(nóng)業(yè)機(jī)械開始裝備使用CAN總線，采集農(nóng)機(jī)CAN數(shù)據(jù)對于農(nóng)機(jī)作業(yè)運行及故障維修的應(yīng)用研究具有重要意義。農(nóng)機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集、解析、傳輸農(nóng)機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)信息，且可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。為此，詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)、CAN控制器及CAN收發(fā)器的農(nóng)機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，并給出了硬件設(shè)計和軟件實現(xiàn)。試驗表明：該系統(tǒng)將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油耗、經(jīng)緯度、高程等數(shù)據(jù)解析并傳輸存儲，在實際應(yīng)用過程中，系統(tǒng)可靠性好，信息準(zhǔn)確、運行正常。

關(guān)鍵詞：農(nóng)機(jī)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)解析；控制器局域網(wǎng)；CAN

0引言

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化、現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，農(nóng)機(jī)總量、農(nóng)機(jī)作業(yè)水平及信息化技術(shù)應(yīng)用水平不斷提高，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、增加糧食產(chǎn)量發(fā)揮了重要作用[1]。拖拉機(jī)、收獲機(jī)及噴藥機(jī)等農(nóng)機(jī)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和現(xiàn)代化的重要動力機(jī)械。電子控制技術(shù)已逐步應(yīng)用到這些農(nóng)機(jī)各個系統(tǒng)中，如發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、動力輸出系統(tǒng)、后懸掛系統(tǒng)及駕駛操作系統(tǒng)等。為適應(yīng)農(nóng)機(jī)電子控制設(shè)備的應(yīng)用需要，控制器局域網(wǎng) (CAN總線) 應(yīng)運而生[2]。CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，主要原理是把車身上相關(guān)控制器都聯(lián)系起來，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)控制器、變速箱控制器、車身控制器及其它控制器的通信[3]。車身CAN網(wǎng)絡(luò)中包含有農(nóng)機(jī)車身狀態(tài)信息數(shù)據(jù)及農(nóng)機(jī)作業(yè)時的各信息數(shù)據(jù)，對農(nóng)機(jī)CAN數(shù)據(jù)采集并解析可以得到農(nóng)機(jī)的作業(yè)狀態(tài)信息。

本文探討了基于CAN總線的采集傳輸裝置設(shè)計和實現(xiàn)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的整體設(shè)計、硬件電路設(shè)計及軟件設(shè)計流程。所開發(fā)的系統(tǒng)裝置用于在農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中實時采集農(nóng)機(jī) CAN總線數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選解析，然后通過RS-232串口通信傳輸?shù)絇C機(jī)，同時將數(shù)據(jù)存儲在 U 盤中，可運用 PC 機(jī)上的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該設(shè)計實現(xiàn)了現(xiàn)場傳輸和U盤存儲同時進(jìn)行的模式，克服了以往現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須有1臺PC機(jī)的模式，可了解農(nóng)機(jī)作業(yè)期間各種數(shù)據(jù)信息變化，同步記錄作業(yè)狀態(tài)，在農(nóng)機(jī)長時間作業(yè)以后，存儲的數(shù)據(jù)可用于分析農(nóng)機(jī)行駛性能的運行情況和作業(yè)情況。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計

由于CAN總線本身良好的功能特性， 已經(jīng)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、汽車制造以及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)[4]。本文所設(shè)計的基于 CAN 總線數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)應(yīng)用在進(jìn)口的大馬力農(nóng)機(jī)上，對農(nóng)機(jī)CAN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸存儲。考慮到系統(tǒng)功能的需求，整個系統(tǒng)由主控制器、CAN控制器、CAN收發(fā)器、RS-232模塊及U盤存儲模塊等組成，如圖1所示。

系統(tǒng)工作時，CAN接線與農(nóng)機(jī)CAN接口相連，采集農(nóng)機(jī)CAN數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)不僅可以采集CAN數(shù)據(jù)信息，還可以將CAN數(shù)據(jù)解析并傳輸存儲。其中，傳輸既可以采用實時有線傳輸，也可以通過GPRS模塊實現(xiàn)實時無線傳輸。同時，解析后的數(shù)據(jù)可以實時存儲到U盤中，方便以后對農(nóng)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

按照整體設(shè)計， 系統(tǒng)硬件電路主要由以下幾大模塊組成：主控制器模塊、CAN 接口模塊、電源模塊、RS-232串口通信模塊及無線傳輸存儲等模塊。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1　主控制器模塊

本系統(tǒng)主控制器采用是STC89C52RC單片機(jī)，是由宏晶科技公司生產(chǎn)的一款具有低功耗、高性能8位CMOS微控制器，成本低廉比較容易獲得，可采用C語言進(jìn)行程序編程，易于維護(hù)升級。主控制器是整個系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)的采集，還可進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選解析以及數(shù)據(jù)傳輸。其主要特性如下：

1)工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達(dá)48MHz(滿足數(shù)據(jù)采集要求)。

2)用戶應(yīng)用程序空間為8kB，片上集成512kB RAM(滿足功能需要)。

3)ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器，直接通過串口下載用戶程序，數(shù)秒即可完成(程序維護(hù)升級簡便)。

4)工作溫度范圍：-40～+85℃(工業(yè)級，滿足工作環(huán)境要求)。

2.2　CAN接口模塊

CAN接口模塊主要是由CAN控制器模塊和CAN收發(fā)器模塊組成的，整個接口模塊主要負(fù)責(zé)對農(nóng)機(jī)CAN網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收采集。本系統(tǒng)的CAN控制器選用的是SJA1000，是一種常用的CAN控制器，能夠兼容CAN2.0B擴(kuò)展幀，而且易于學(xué)習(xí)和開發(fā)[5]。SJA1000提供了與主控制器之間的數(shù)據(jù)線接口，其工作狀態(tài)的設(shè)置和控制是由主控制器來編程實現(xiàn)的。CAN收發(fā)器選擇PAC82C250，為SJA1000與農(nóng)機(jī)CAN物理總線之間提供了數(shù)據(jù)線接口。其將CAN物理總線上接收的信號轉(zhuǎn)換為SJA1000可以接收的電平信號，然后SJA1000將CAN報文數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器進(jìn)行相關(guān)的處理。

2.3　電源模塊

本系統(tǒng)的電源依靠農(nóng)機(jī)配備的12V蓄電池電源，為了保證給整個系統(tǒng)一個穩(wěn)定的電壓，采用了穩(wěn)壓電源電路。因為主控制器及CAN接口模塊需要5V電壓穩(wěn)定供電，所以設(shè)計使用一個LM7805穩(wěn)壓器將12V轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓，并使用了一個容值為0.1μF的電容來消除高頻干擾，使輸出的5V電壓穩(wěn)定純凈。其電路如圖2所示。同時，在電路中增加了兩個單向二極管，用來防止電壓過大或正負(fù)極顛倒而損壞系統(tǒng)電子元件?？紤]到LM7805在工作過程中的散熱問題，實際使用中，設(shè)計安裝與其匹配的散熱片，加速散熱，增加LM7805的使用壽命。

圖2　穩(wěn)壓電源電路圖

2.4　RS-232串口通信模塊

本系統(tǒng)中，選用MAX232作為串口通信的主芯片，完成系統(tǒng)的通信傳輸及主控制器的程序下載燒寫[6]。MAX232采用DIP16封裝，為了防止干擾，在芯片引腳上接入電容。芯片一邊引腳與單片機(jī)相連接，另一邊引腳與DB9相連，實現(xiàn)系統(tǒng)串口通信功能。串口部分電路圖如圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文系統(tǒng)中，主控制器功能程序軟件編程是基于STC89C52RC單片機(jī)開發(fā)的。軟件編程開發(fā)采用的是Keil C51單片機(jī)C語言開發(fā)工具軟件。從整個系統(tǒng)的性能維護(hù)、編寫周期、程序改進(jìn)等各方面考慮，程序軟件采用模塊化的設(shè)計方式，同時采用C語言來進(jìn)行編程。包含系統(tǒng)主控制器的初始化設(shè)置、CAN控制器SJA1000的初始化設(shè)置、串口通信的初始化設(shè)置及數(shù)據(jù)的采集解析傳輸?shù)裙δ艹绦颉Ｆ渲?，設(shè)計了一個看門狗復(fù)位程序，使系統(tǒng)在突然死機(jī)的情況下，能夠復(fù)位重新工作。圖4是系統(tǒng)整體程序的設(shè)計流程圖。

圖3　串口模塊電路圖

圖4　整體程序流程圖

3.1　SJA1000初始化程序

在完成整體系統(tǒng)及實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能之前，需要先對CAN控制器進(jìn)行初始化設(shè)置，即根據(jù)所要實現(xiàn)的目的功能對相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置。針對本文系統(tǒng)所使用的CAN控制器SJA1000進(jìn)行初始化，包括對其工作模式的選擇、中斷系統(tǒng)的設(shè)置、CAN波特率的設(shè)置及驗收濾波器的設(shè)置等。這些初始化設(shè)置實際上就是對SJA1000內(nèi)部相關(guān)的寄存器進(jìn)行的寫操作[7]。SJA1000首先進(jìn)入復(fù)位模式， 然后對相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化工作；在相關(guān)寄存器初始化工作完成以后，退出復(fù)位模式，進(jìn)入操作模式，完成整個CAN控制器的初始化工作。圖5是SJA1000初始化程序流程圖。

圖5　SJA1000初始化流程圖

3.2　CAN數(shù)據(jù)采集解析程序

數(shù)據(jù)采集程序主要負(fù)責(zé)對農(nóng)機(jī)CAN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在處理采集數(shù)據(jù)的同時，要對錯誤報警、接收溢出及總線關(guān)閉等情況進(jìn)行處理。

本系統(tǒng)中，CAN控制器SJA1000報文的接收方式采用中斷接收，在有農(nóng)機(jī)CAN信號傳輸后，觸發(fā)中斷程序，CAN收發(fā)器將采集的信號傳輸?shù)紺AN 控制器SJA1000，SJA1000開始接收報文。農(nóng)機(jī)CAN數(shù)據(jù)采集程序主要是讀取總線中斷、錯誤和溢出狀態(tài)；打開接收緩存器讀取報文；緩沖區(qū)釋放等過程。

主控制器對采集到的CAN數(shù)據(jù)根據(jù)ISO11783協(xié)議[8]和CAN總線協(xié)議，進(jìn)行相應(yīng)的ID篩選，得到發(fā)動機(jī)信息、地理位置信息及時間信息等數(shù)據(jù)幀，然后按照相應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行具體實際參數(shù)值的解析傳輸[9]，從而得到農(nóng)機(jī)作業(yè)時具體各參數(shù)值。

4系統(tǒng)的田間試驗研究

本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能就是能夠采集農(nóng)機(jī)CAN數(shù)據(jù)，并將采集到的CAN數(shù)據(jù)，按照農(nóng)機(jī)ISO11783協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的篩選、解析，從而得到農(nóng)機(jī)發(fā)動機(jī)及作業(yè)數(shù)據(jù)的實際參數(shù)值。在系統(tǒng)研究設(shè)計完成后，考慮到農(nóng)機(jī)作業(yè)環(huán)境比較惡劣，故對系統(tǒng)進(jìn)行田間農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)采集試驗研究，以便使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功能性及實用性更加完善和穩(wěn)定，達(dá)到實際應(yīng)用的要求。

4.1　田間試驗地點

試驗地點為榮軍農(nóng)場，隸屬于黑龍江農(nóng)墾總局九三分局，位于嫩江縣與訥河市交界處；田間試驗地塊為榮軍農(nóng)場十五連隊的第十四號地，地塊面積大約30hm2。

4.2　系統(tǒng)安裝與試驗

試驗所用車型為約翰迪爾7830型拖拉機(jī)，車身配備有CAN總線網(wǎng)絡(luò)、CAN物理接線口及星火GPS設(shè)備，將設(shè)計的系統(tǒng)通過接線與拖拉機(jī)上的CAN物理接線口相連接，使系統(tǒng)與拖拉機(jī)CAN網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而可實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的采集。

啟動拖拉機(jī)，開始進(jìn)行整地作業(yè)，同時系統(tǒng)上電工作，開始采集并解析農(nóng)機(jī)CAN數(shù)據(jù)。

4.3　試驗數(shù)據(jù)處理

解析后的農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)可以通過GPRS無線傳輸?shù)絇C機(jī)中，也可以同時存儲到U盤中，然后將U盤中的數(shù)據(jù)拷貝到PC機(jī)中，用于農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)的分析處理。U盤中傳輸?shù)玫降臄?shù)據(jù)是以.txt為擴(kuò)展名存儲的，每條記錄包括日期、時間、經(jīng)度、緯度、高程、發(fā)動機(jī)油耗、轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)負(fù)荷率、后懸掛狀態(tài)及發(fā)動機(jī)工作小時數(shù)等。表1是存儲的試驗作業(yè)數(shù)據(jù)。

表1　試驗記錄數(shù)據(jù)

從表1可以看到：本文設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采集農(nóng)機(jī)CAN數(shù)據(jù)，并經(jīng)過解析傳輸存儲得到了農(nóng)機(jī)作業(yè)實際參數(shù)值，然后對這些作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。本文采用MatLab工具軟件作為農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)分析處理的工具，首先把U盤中存儲的.txt文檔的數(shù)據(jù)提取到EXCEL表格中，然后導(dǎo)入MatLab軟件中，對其中的經(jīng)度、緯度、高程及發(fā)動機(jī)油耗等參數(shù)進(jìn)行變量設(shè)置。利用MatLab分析軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能，進(jìn)行分析處理得到農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡圖、作業(yè)軌跡與高程變化圖及作業(yè)軌跡與油耗變化圖等，進(jìn)而對其作業(yè)時的狀態(tài)進(jìn)行檢測分析。

圖6是農(nóng)機(jī)田間作業(yè)時的軌跡圖。由圖6可以看到農(nóng)機(jī)在這一地塊作業(yè)時的軌跡路線，對作業(yè)的GPS軌跡進(jìn)行分析，根據(jù)作業(yè)時的幅寬，進(jìn)而計算出作業(yè)面積。

圖7是農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡與高程的變化圖。其中，顏色的變化代表高程的變化。從圖7中可以看到作業(yè)地塊地勢的變化、地塊高程變化的范圍及整個地塊一個大致的平均海拔。

圖8是農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡與發(fā)動機(jī)油耗的變化圖，同樣顏色的變化代表油耗的變化。從圖8中可以清晰地看到農(nóng)機(jī)在進(jìn)行整地作業(yè)時發(fā)動機(jī)的瞬時油耗和作業(yè)時油耗的范圍大小。對得到的所有油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算，可以得出作業(yè)這一地塊需要消耗多少的油量，從而進(jìn)一步分析作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

圖6　作業(yè)軌跡圖

圖7　作業(yè)軌跡與高程變化圖

圖8　作業(yè)軌跡與油耗變化圖

5結(jié)論

詳細(xì)介紹了農(nóng)機(jī)CAN數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，并基于農(nóng)機(jī)ISO11783協(xié)議對農(nóng)機(jī)CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選解析，最后傳輸存儲得到農(nóng)機(jī)作業(yè)時的日期、時間、經(jīng)緯度、高程、發(fā)動機(jī)油耗、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等實際參數(shù)值。同時,通過MatLab軟件分析處理，直觀地得到了關(guān)于拖拉機(jī)的作業(yè)行駛狀態(tài)，為進(jìn)一步的統(tǒng)計分析奠定了基礎(chǔ)。在對得到的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理過程中，深感農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)采集的重要性,隨著CAN總線技術(shù)應(yīng)用及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展,農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)對農(nóng)機(jī)管理運營必將有更重要的應(yīng)用。

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Design and Implementation of Agricultural Machinery Data Acquisition and Transmission System—Based on CAN bus

Liu Chuanmao, Wang Xi

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

Abstract：With the development of CAN bus, more and more agricultural machinery equipment is equipped with CAN bus. Collect agricultural machinery CAN data, which is very important for the agricultural machinery operation and application research of maintenance.Agricultural machinery CAN data acquisition and transmission system can real-time gather the information of agricultural machinery CAN-Bus as well as parse and storage data．Farther, the system transfer data to PC and uses it to process and analyze the measure. This paper presents the agricultural machinery CAN data acquisition and transmission system based on microcontroller, CAN controller and CAN transceiver and sets forth its hardware and software. The experimental studies show that the system parse and transmission of storage engine speed, fuel consumption, latitude and longitude, elevation, etc. In the actual testing process, the system reliability is good, the information is accurate, the operation is normal.

Key words：agricultural machinery data; controller area network;data parsing; CAN

中圖分類號：S242

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0207-05

作者簡介：劉傳茂(1990-)，男，山東汶上人，碩士研究生，(E-mail)408029753@qq.com。通訊作者：王熙(1962-)，男，山西新絳人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)ndwangxi@163.com。

基金項目：“十二五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2013AA040401)；

收稿日期：2015-10-30

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研究生創(chuàng)新科研項目(YJSCX2015-Y13)；黑龍江省大慶市項目(szdfy-2015-28)