狄小冬，王 熙，王新忠，莊衛(wèi)東，王德福，董 欣

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江大慶 163319；2.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，黑龍江哈爾濱 150030）

近年來，青貯飼料收獲機控制器局域網(wǎng)絡（CAN）總線技術發(fā)展迅速，為了代替真實柴油發(fā)動機，在實驗室內(nèi)進行CAN總線車載顯示終端的模擬測試試驗，有必要研究設計青貯飼料收獲機發(fā)動機CAN總線數(shù)據(jù)虛擬信號發(fā)生器。

使用CAN總線數(shù)據(jù)虛擬信號發(fā)生器，技術人員可以不用到青貯飼料收獲機現(xiàn)場，沒有青貯飼料收獲機，在實驗室內(nèi)即可對車載顯示終端進行模擬測試試驗，節(jié)約測試試驗成本，提高試驗效率，使用靈活方便。修改CAN總線數(shù)據(jù)虛擬信號發(fā)生器程序后，也可以擴展應用到其他收獲機或拖拉機上。

CAN總線為分散式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)每個節(jié)點之間實時網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信，使青貯飼料收獲機虛擬信號發(fā)生器向網(wǎng)絡輸出CAN數(shù)據(jù)成為可能［1-4］。目前，國內(nèi)對CAN總線的研究較多，但關于青貯飼料收獲機CAN總線相關技術研究較少［5-7］，因此關于青貯飼料收獲機柴油發(fā)動機CAN總線數(shù)據(jù)虛擬信號發(fā)生器的研究具有一定的應用價值。

本研究以牧神4QZ-3000A型自走式青貯飼料收獲機（圖1）為平臺，該收獲機采用中國重汽杭發(fā)斯太爾D1031AT30型柴油發(fā)動機，研究開發(fā)一種基于青貯飼料收獲機CAN數(shù)據(jù)解析的柴油發(fā)動機虛擬信號發(fā)生器。從軟硬件設計、總線通信協(xié)議的選擇及報文格式和總體系統(tǒng)的設計等方面進一步完善，旨在代替真實發(fā)動機，完成相關模擬測試試驗研究。

1 農(nóng)機CAN總線

1986年，德國汽車電子公司起初在汽車電子控制系統(tǒng)方面研發(fā)了汽車總線，即CAN總線［8］。CAN總線目前是廣泛應用在車輛、工業(yè)、船舶等領域的一種通信網(wǎng)絡，在國內(nèi)外得到高度的認可。在20世紀末，國際標準化組織（ISO）將通信標準協(xié)議SAE J1939定義為農(nóng)業(yè)和林業(yè)機械的標準通信規(guī)范和接口，對農(nóng)業(yè)林業(yè)機具、拖拉機串口通信方式及總線的網(wǎng)絡協(xié)議制定了相關原則［9］。在國內(nèi)，CAN總線已逐漸應用于農(nóng)業(yè)機械車輛。CAN總線是國際標準中唯一的串行現(xiàn)場總線，具有高性能、高可靠性、易開發(fā)和低成本的特點［10］，CAN總線的通信距離相對于其他通信網(wǎng)絡長且靈活，通信距離最長可達10 km（在10 km距離下仍可提供5 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率），最大的傳輸速度可達1 Mbit/s（在最大的傳輸速度下通信距離最長為40 m）［11］。

2 SAE J1939協(xié)議

2.1 SAE J1939協(xié)議與CAN總線

國際標準化組織（ISO）根據(jù)SAE J1939和DIN9684規(guī)定了農(nóng)用車輛網(wǎng)絡通信國標［12］。SAE J1939協(xié)議對傳感器等部件進行了定義，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議和格式等進行了規(guī)定，其采用CAN總線作為部件之間的網(wǎng)絡通信標準總線。

SAE J1939協(xié)議以CAN底層協(xié)議為基礎實現(xiàn)的高層協(xié)議，根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，尤其是精準農(nóng)業(yè)領域的未來發(fā)展走向，放棄農(nóng)林機械中使用點對點的單通信方式，摒棄拖拉機上繁瑣的布線系統(tǒng)，國際標準化組織規(guī)范了SAE J1939協(xié)議。該協(xié)議是基于CAN 2.0B［13］，并應用于農(nóng)業(yè)機械、拖拉機串行控制等網(wǎng)絡通信協(xié)議，標準為不同類型的農(nóng)機具之間信息的互換提供了技術支持，允許農(nóng)林車輛上的部件之間進行數(shù)據(jù)共享，并規(guī)范了農(nóng)林機械中不同參數(shù)的定義和表示方式。標準的關鍵組成部分包括應用層傳輸信息、拖拉機、電子控制單元、控制器、信息管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)字典等部分［14］。

在CAN總線報文格式內(nèi)，是通過4種不同幀和1個幀間隔，包括數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、超載幀和幀間隔，完成節(jié)點與節(jié)點之間的報文信息的傳入和傳出［15］。

CAN 2.0B協(xié)議規(guī)范中定義了2種信息幀即標準幀與擴展幀格式。標準幀的格式有11位ID，而擴展幀的格式有29位ID，但是信息幀的規(guī)范形式，是以SAE J1939協(xié)議中擴展幀的格式指定的。相較于信息幀格式，SAE J1939協(xié)議選取PDU來定義，PDU為數(shù)據(jù)協(xié)議單元。在SAE J1939協(xié)議中，PDU數(shù)據(jù)格式由指定的PDU（目標地址DA、組擴展GE）、Priority（P）、Researd（R）、源地址（SA）、Data Page（DP）、PDU Format（PF）和數(shù)據(jù)域［16］構成。CAN擴展幀的格式與SAE J1939協(xié)議之間的對應關系見表1。

表1 CAN擴展幀的格式與SAE J1939協(xié)議的對應關系

2.2 SAE J1939協(xié)議中柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速的報文格式

本研究解析所需原始數(shù)據(jù)均為牧神4QZ-3000A型自走式青貯飼料收獲機作業(yè)時采集到的CAN總線數(shù)據(jù)。運用CAN總線數(shù)據(jù)采集記錄儀，對青貯飼料收獲機在田間作業(yè)時的經(jīng)度、緯度、高程、燃油消耗量、柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息進行采集和記錄，并根據(jù)SAE J1939協(xié)議對柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進行解析，CAN總線接收存儲的報文格式見表2。

表2 CAN總線接收存儲的報文格式

對于接收的報文數(shù)據(jù)，須要依據(jù)SAE J1939協(xié)議的定義對其解析：涵蓋了SAE J1939協(xié)議中1個幀的標志符和數(shù)據(jù)。其中：ID＝0x0CFEE61C＝0000，1100，1111，1110，1110，0110，0001，1100；ID數(shù)據(jù)中前3位數(shù)據(jù)被忽略，PGN包括保留位（R）：0；數(shù)據(jù)幀位（DP）：0；協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PF）：FE；擴展單元（PS）：E6；去掉優(yōu)先級（P）3位和源地址（SA）8位得PGN＝0000，1100，1111，1110，1110，0110，1100＝OxFEF6（H）＝65264（D）。

按照上述方法可知，ID號為0x0CF004F，其中00xF004＝61444（參數(shù)組號碼），61444是轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，該參數(shù)組是柴油發(fā)動機控制器1參數(shù)組，柴油發(fā)動機參數(shù)定義見表3。

例如：0x0CF004F0，1，8，0xFE，0xFF，0x9B，0xA5，0x12，0xFF，0xFF，0xFF，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩模式不可用，原始值0x9B＝155（十進制），實際值等于155×1%-125% ＝30%，即實際的柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)矩比例為30%，原始值0x12A5＝4 773（十進制），實際值等于4 773×0.125+0＝596.625 r/min，即柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速為596.625 r/min。

3 系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)對青貯飼料收獲機發(fā)動機信號的模擬，通過RS232實現(xiàn)串口通信功能，將模擬的青貯飼料收獲機發(fā)動機信號輸送到CAN總線，車載顯示終端接收從CAN總線發(fā)送的數(shù)據(jù)并驅(qū)動車載顯示終端進行響應。

表3 柴油發(fā)動機參數(shù)定義

3.1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件由臺式計算機、RS232-CAN轉(zhuǎn)換器、青貯飼料收獲機車載顯示終端、SAE J1939接口、CAN數(shù)據(jù)電纜線束等組成（圖2）。

系統(tǒng)的上位機選用臺式計算機，上位機操作系統(tǒng)為Windows 7系統(tǒng)，實現(xiàn)串口通信、參數(shù)調(diào)節(jié)等功能。車載顯示終端選用KPL-ALPHA3101型車載終端，其是鄭州開普勒測控技術股份有限公司自主研發(fā)的一款CAN總線車載終端，主要針對農(nóng)用機械、工程機械、其他特種車輛所配套的10.1英寸車載終端顯示器，工作電壓9～32 V，功耗≤9W，安裝方式為外掛，通信接口為1路CAN2.0B/多路外設接口。

轉(zhuǎn)換器型號選用千目電子RS232-CAN-E1轉(zhuǎn)換器。RS232-CAN轉(zhuǎn)換器有1路RS232接口和1路CAN接口，對于CAN總線V2.0A與V2.0B技術標準完全支持（圖3）。RS232-CAN轉(zhuǎn)換器的2種工作模式為：（1）調(diào)試模式。在此模式下可以使用轉(zhuǎn)換器調(diào)試軟件進行接收發(fā)送CAN數(shù)據(jù)，并且能設定透傳模式的參數(shù)等操作。（2）透傳模式?？擅撾x調(diào)試轉(zhuǎn)件使用，實現(xiàn)RS232串口和CAN之間的直接轉(zhuǎn)換，共有5種工作方式可以選擇。通過VB、VC和DELPHI等編程語言中的串口控件進行程序的開發(fā)。

穩(wěn)壓電源模塊選用輸入交流AC220 V，輸出直流電壓DC24 V，輸出電流1.0 A。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件程序設計選擇Visual Basic 6.0，其具有可視化界面設計平臺、面向?qū)ο蟮脑O計方法等特點。

柴油發(fā)動機的轉(zhuǎn)速CAN數(shù)據(jù)與燃油消耗量CAN數(shù)據(jù)均來自牧神4QZ-3000A型自走式青貯飼料收獲機的CAN數(shù)據(jù)，以十六進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)據(jù)進行運算為核心，進行軟件編程設計。其程序編程流程見圖4。

軟件的設計界面包括自動和手動2種模式，自動模式時，虛擬柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號與柴油機燃油消耗量平穩(wěn)升降；手動模式時，根據(jù)需求調(diào)整柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速和燃油消耗量參數(shù)，使其實現(xiàn)柴油發(fā)動機信號的模擬，軟件設計界面見圖5。

4 試驗研究

4.1 試驗過程

在實驗室首先將臺式計算機與RS232-CAN轉(zhuǎn)換器通過上位機RS232接口連接，轉(zhuǎn)換器外接電源。RS232-CAN轉(zhuǎn)換器、遠程控制器分別與CAN總線接頭連接，車載顯示終端與CAN總線接頭連接，完成通信。臺式計算機虛擬CAN總線數(shù)據(jù)程序產(chǎn)生青貯飼料收獲機柴油發(fā)動機信號，輸出柴油發(fā)動機CAN總線數(shù)據(jù)到車載顯示終端。試驗裝置見圖6。

4.2 試驗結果

為了測試系統(tǒng)的可靠性和驗證設計結果，在臺式計算機程序界面手動輸入柴油機燃油消耗量5～35 L/h、柴油機轉(zhuǎn)速150～2 800 r/min信號，重復3次試驗，在車載顯示終端準確的顯示柴油機燃油消耗量5～35 L/h、柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速150～2 500 r/min，測試試驗結果見表4。

表4 柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速試驗數(shù)據(jù)

5 結論

利用VB編程設計的軟件，可以準確地發(fā)送柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速和燃油消耗量CAN信號，指針在全量程3 000 r/min內(nèi)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程平順且穩(wěn)定。

系統(tǒng)主要結構由臺式計算機、RS232-CAN轉(zhuǎn)換器、SAE J1939接口、車載顯示終端等模塊構成，采用了可視化編程Visual Basic 6.0進行軟件的編程，該軟件具有使用成本低、適應現(xiàn)代化技術發(fā)展、便于推廣和提高農(nóng)業(yè)效益的特點。

試驗測試結果表明，系統(tǒng)結構簡單、穩(wěn)定可靠、信號輸出平順穩(wěn)定、參數(shù)調(diào)節(jié)方便，達到了代替真實發(fā)動機完成相關模擬測試的效果，為農(nóng)業(yè)機械CAN總線領域的應用研究提供了參考。