蔣建東 孫遠(yuǎn)方 金 驍 周 倩 毛智琳

(1.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310014；2.星光農(nóng)機(jī)股份有限公司， 湖州 313017)

0 引言

谷物聯(lián)合收獲機(jī)是一種復(fù)式農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械，可以實(shí)現(xiàn)收獲、脫粒、清選、儲(chǔ)糧、卸糧等多種作業(yè)功能[1]。隨著電子控制單元的不斷引入，為了提高信號(hào)利用率，要求大量數(shù)據(jù)在不同的電子單元中共享，傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，造成布線系統(tǒng)龐大[1-2]，而CAN總線是一種可靠的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)，近年來廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械上。

目前，國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)CAN總線系統(tǒng)的研究主要針對(duì)某一特定功能進(jìn)行開發(fā)[3-4]，尚處于起步階段。魏新華等[5]將CAN總線技術(shù)用于收獲機(jī)的故障檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)工作和信息共享。張美娜等[6]采用CAN總線設(shè)計(jì)了聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以獲得收獲機(jī)實(shí)時(shí)的位置、姿態(tài)等導(dǎo)航信息。上述研究大都針對(duì)傳統(tǒng)收獲機(jī)，將CAN總線作為實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能的工具，并未從本質(zhì)上優(yōu)化整個(gè)收獲機(jī)的控制系統(tǒng)。國(guó)外對(duì)大型作業(yè)農(nóng)機(jī)已有成熟的CAN總線系統(tǒng)[7-8]。HOFSTEE等[9]提出了一種用于農(nóng)業(yè)噴灑作業(yè)裝備的CAN總線系統(tǒng)解決方案。ISO 11783系列標(biāo)準(zhǔn)為拖拉機(jī)和農(nóng)業(yè)作業(yè)設(shè)備提供了全面的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括牽引拖拉機(jī)和掛載作業(yè)機(jī)具[10]。然而，對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的研究稍稍落后，尚未形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有系統(tǒng)的解決方案。另外，目前農(nóng)業(yè)機(jī)械物聯(lián)網(wǎng)控和附屬設(shè)施的發(fā)展也相對(duì)滯后。因此，設(shè)計(jì)聯(lián)合收獲機(jī)CAN總線系統(tǒng)時(shí)需考慮未來農(nóng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，附屬設(shè)施、信息設(shè)備等也要作為系統(tǒng)的一部分。

本文以谷物聯(lián)合收獲機(jī)為研究對(duì)象，在現(xiàn)有子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，考慮到未來信息化的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)聯(lián)合收獲機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。

1 CAN總線系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了滿足聯(lián)合收獲機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航需求，底層動(dòng)力傳動(dòng)對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求較高。聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜，需要大量的傳感器和執(zhí)行器來滿足作業(yè)精細(xì)化需求。考慮到未來農(nóng)機(jī)信息化和舒適化的發(fā)展方向，還需考慮聯(lián)合收獲機(jī)附屬設(shè)備和遠(yuǎn)程交互通信需求。

為了滿足上述聯(lián)合收獲機(jī)通信需求，設(shè)計(jì)了由4條CAN總線構(gòu)成的控制網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。聯(lián)合收獲機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由動(dòng)力CAN總線、設(shè)備管理CAN總線和2條專用設(shè)備CAN總線構(gòu)成，每一條CAN總線上掛接數(shù)個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收獲機(jī)特定子系統(tǒng)的測(cè)控功能。其中，動(dòng)力CAN總線負(fù)責(zé)收獲機(jī)的底盤、驅(qū)動(dòng)等底層設(shè)備通信。設(shè)備管理CAN總線有收獲機(jī)控制中心、附屬設(shè)備和遠(yuǎn)程交互模塊等節(jié)點(diǎn)。在聯(lián)合收獲機(jī)上，專用設(shè)備CAN總線被劃分為2條，分別完成切割輸送部分和脫粒卸糧部分的數(shù)據(jù)采集和控制。不同總線之間通過網(wǎng)關(guān)連接[11-12]，網(wǎng)關(guān)有選擇地將一條總線上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粭l總線。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Network structure diagram of CAN bus

圖2 聯(lián)合收獲機(jī)CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig.2 CAN bus network system of combine harvester

1.2 CAN總線通信協(xié)議設(shè)計(jì)指標(biāo)

由于聯(lián)合收獲機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多樣，各個(gè)子系統(tǒng)之間需要相互協(xié)調(diào)工作，才能滿足農(nóng)業(yè)精細(xì)化生產(chǎn)的要求。為了使聯(lián)合收獲機(jī)控制系統(tǒng)滿足以上要求，CAN總線的協(xié)議設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到以下指標(biāo)[13]：①遵循ISO 11783國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范，參考該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)拖拉機(jī)應(yīng)用層協(xié)議的建議，設(shè)計(jì)符合聯(lián)合收獲機(jī)的應(yīng)用層協(xié)議。②應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)覆蓋收獲機(jī)的各個(gè)子系統(tǒng)所有部件，為各個(gè)子系統(tǒng)的所有部件的信息分配數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)符。通信協(xié)議的標(biāo)識(shí)符資源應(yīng)至少預(yù)留50%用于擴(kuò)展定義。③設(shè)計(jì)要求總線處于高負(fù)載時(shí)(數(shù)據(jù)發(fā)送周期為20 ms)，總線負(fù)載率應(yīng)小于50%，且滿足通信實(shí)時(shí)性要求。

2 基于ISO 11783的通信協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)幀格式

ISO 11783以CAN 2.0B為基礎(chǔ)，通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。它的數(shù)據(jù)鏈路層定義了信息幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼規(guī)則，包括通信優(yōu)先權(quán)、傳輸方式、通信要求、總線仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)及處理。它重新分組定義了CAN總線擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符[14]，報(bào)文的標(biāo)識(shí)符可以描述報(bào)文的全部特征，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)幀報(bào)文格式Fig.3 Message format of data frame

在29位標(biāo)識(shí)符中，優(yōu)先級(jí)位、保留位、數(shù)據(jù)頁(yè)位、協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol data unit, PDU)格式位和特定PDU構(gòu)成報(bào)文的參數(shù)組編號(hào)(Parameter group numbers, PGN)。PGN除確定或標(biāo)識(shí)命令、數(shù)據(jù)、某些請(qǐng)求、確認(rèn)和否定之外，還可以確定或標(biāo)識(shí)要求多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀通信的信息，若消息長(zhǎng)度大于8字節(jié)，必須將消息分組封裝發(fā)送。PS(PDU specific)的定義取決于PF(PDU format)，若PF段的值小于240，PS是目標(biāo)地址；若PF段的值在240～255之間，PS是參數(shù)組擴(kuò)展值。在ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)中可用參數(shù)組的總數(shù)目為：[240+(16×256)]×2=8 672。

總之，參數(shù)組編號(hào)PGN是CAN總線系統(tǒng)中報(bào)文的唯一標(biāo)識(shí)。設(shè)計(jì)CAN總線通信協(xié)議的一個(gè)主要內(nèi)容是為不同的報(bào)文分配其特有的參數(shù)組編號(hào)。

2.2 參數(shù)組編號(hào)定義

根據(jù)聯(lián)合收獲機(jī)的數(shù)據(jù)需求，將聯(lián)合收獲機(jī)上的CAN總線數(shù)據(jù)分為10個(gè)部分：GPS位置信息、行駛控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)、柴油機(jī)引擎、切割輸送、脫粒卸糧、環(huán)境和燈光、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)。各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的參數(shù)組編號(hào)(PGN)以及可定義的報(bào)文數(shù)如表1所示[15]。ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定有8 672個(gè)參數(shù)組可用，在保證每個(gè)數(shù)據(jù)塊有充足空間的前提下，仍具有80%的擴(kuò)展定義空間。

2.3 應(yīng)用層協(xié)議

ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了對(duì)每個(gè)參數(shù)都應(yīng)該確定它的數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)類型可以是命令數(shù)據(jù)或測(cè)量數(shù)據(jù)。命令數(shù)據(jù)是指發(fā)送命令的傳輸節(jié)點(diǎn)將某個(gè)參數(shù)設(shè)為某一個(gè)指定的狀態(tài)。命令數(shù)據(jù)有發(fā)動(dòng)機(jī)剎車啟動(dòng)、割臺(tái)控制、速度控制等。測(cè)量值類型數(shù)據(jù)表示了傳輸節(jié)點(diǎn)對(duì)某個(gè)參數(shù)測(cè)量后得到的當(dāng)前值，這樣可以確定已定義參數(shù)的狀態(tài)。屬于測(cè)量值類型的數(shù)據(jù)有位置信息、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及當(dāng)前行駛速度等。

表1 CAN系統(tǒng)參數(shù)組編號(hào)定義Tab.1 PGN definition of CAN system

參考標(biāo)準(zhǔn)制定一個(gè)表示聯(lián)合收獲機(jī)行駛狀態(tài)的報(bào)文[10]，該報(bào)文的8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)用于描述聯(lián)合收獲機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。其中，字節(jié)1、2表示行駛速度，一個(gè)比特代表1 m/s，解析上限64 255 m/s。字節(jié)3～6表示行駛距離，一個(gè)比特代表1 m，可以表示0～4 211 081 215 m。字節(jié)8的前兩個(gè)比特表示行駛方向，01表示前進(jìn)，00表示后退，其余的值認(rèn)為錯(cuò)誤或無效。剩余未定義的位即為保留，見表2。

表2 數(shù)據(jù)幀示例Tab.2 Examples of data frames

CAN總線系統(tǒng)中，命令數(shù)據(jù)根據(jù)聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)時(shí)的作業(yè)需求，不定期發(fā)送。測(cè)量數(shù)據(jù)是各個(gè)ECU周期性采集的收獲機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)參數(shù)。參考ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[9]中對(duì)數(shù)據(jù)采集周期的定義，本文定義了2種數(shù)據(jù)采集周期，50 ms(典型工作狀態(tài))和20 ms(高負(fù)載工作狀態(tài))。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

建立了CAN總線試驗(yàn)平臺(tái)，包括動(dòng)力CAN總線、設(shè)備管理CAN總線和專用設(shè)備CAN總線，如圖4所示。由于2條專用設(shè)備CAN總線在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用邏輯上有相似性，因此，試驗(yàn)系統(tǒng)只有1條專用設(shè)備CAN總線。該試驗(yàn)平臺(tái)共有20個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中動(dòng)力CAN總線上有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，專用設(shè)備CAN總線上有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)備管理CAN總線上有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，2個(gè)網(wǎng)關(guān)將3條CAN總線連接起來。模擬網(wǎng)關(guān)1連接動(dòng)力CAN總線和設(shè)備管理CAN總線，模擬網(wǎng)關(guān)2連接專用設(shè)備CAN總線和設(shè)備管理CAN總線。

圖4 CAN總線系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Test platform of CAN bus system1.專用設(shè)備CAN總線 2.網(wǎng)關(guān)2 3.CAN總線分析儀 4.動(dòng)力CAN總線 5.網(wǎng)關(guān)1 6.設(shè)備管理CAN總線

試驗(yàn)平臺(tái)模擬設(shè)備節(jié)點(diǎn)在500 kb/s的波特率下周期性地收發(fā)數(shù)據(jù)。CAN總線分析儀將總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)。上位機(jī)可以實(shí)時(shí)獲取CAN報(bào)文以及CAN總線負(fù)載。通過示波器采集不同節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的時(shí)差，來觀察通信的實(shí)時(shí)性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)制定的協(xié)議和收獲機(jī)參數(shù)組設(shè)定，為了模擬聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)編程進(jìn)行收發(fā)試驗(yàn)。在不同的周期下進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)負(fù)載和通信延時(shí)。以20 ms和50 ms模擬聯(lián)合收獲機(jī)最大負(fù)載和典型情況。

3.2.1實(shí)時(shí)負(fù)載分析

50 ms周期下的各總線負(fù)載如圖5a所示。其中專用設(shè)備CAN總線和動(dòng)力CAN總線在100 s內(nèi)的平均負(fù)載率分別為2.41%和3.94%。設(shè)備管理CAN總線平均負(fù)載率是11.13%。

20 ms周期下的各CAN總線負(fù)載如圖5b所示。其中專用設(shè)備CAN總線和動(dòng)力CAN總線在100 s內(nèi)的平均負(fù)載率分別為6.15%和12.49%，設(shè)備管理CAN總線的平均負(fù)載率是26.58%。

圖5 不同周期下CAN總線實(shí)時(shí)負(fù)載Fig.5 Real-time load under different cycles of CAN bus

試驗(yàn)結(jié)果表明，不論在50 ms周期還是20 ms的高負(fù)載工作周期，3條CAN總線的負(fù)載率均低于30%，完全滿足聯(lián)合收獲機(jī)控制系統(tǒng)50%負(fù)載率的設(shè)計(jì)需求。

3.2.2通信實(shí)時(shí)性

運(yùn)行CAN總線系統(tǒng)，使3條總線的負(fù)載穩(wěn)定在圖5b所示的負(fù)載。分別選取3條CAN總線上的任意節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，再分別選取3條CAN總線上的節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送方波。重復(fù)多次試驗(yàn)，示波器讀出發(fā)送端和接收端的方波延時(shí)，結(jié)果如表3所示。為了驗(yàn)證總線負(fù)載對(duì)傳輸延時(shí)的影響，增大CAN總線通信試驗(yàn)的數(shù)據(jù)量，將總線負(fù)載率逼近100%，單條CAN總線在不同負(fù)載下的通信延時(shí)如圖6所示。

表3 CAN總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間Tab.3 Data transmission time of CAN bus μs

圖6 傳輸延時(shí)與負(fù)載關(guān)系Fig.6 Relationship between transmission delay and CAN bus load

從表3可以看出，3條CAN總線各自在總線內(nèi)部通信的平均延時(shí)在300 μs左右。設(shè)備管理CAN總線與其他CAN總線通信需要經(jīng)過一個(gè)網(wǎng)關(guān)，所以設(shè)備管理CAN總線與其他兩條CAN總線的通信延時(shí)明顯高于在總線內(nèi)部通信。延時(shí)為兩條總線內(nèi)部延時(shí)之和，約為600 μs。專用設(shè)備CAN總線與動(dòng)力CAN總線之間通信需通過2個(gè)網(wǎng)關(guān)，所以延時(shí)最高，平均延時(shí)為910 μs左右，最大延時(shí)也在1 ms以內(nèi)。對(duì)于單條CAN總線來說，如圖6所示，50%以下負(fù)載率的變化對(duì)傳輸延時(shí)沒有明顯的影響；50%～70%之間負(fù)載率的增大會(huì)帶來相對(duì)明顯的傳輸延時(shí)；70%以上負(fù)載率的增大會(huì)導(dǎo)致傳輸延時(shí)顯著增大。

試驗(yàn)結(jié)果表明，50%以下的負(fù)載率對(duì)通信實(shí)時(shí)性影響不大，本系統(tǒng)通信延時(shí)主要在于通信所涉及的不同CAN總線的數(shù)量，報(bào)文經(jīng)過越多的總線或網(wǎng)關(guān)，延時(shí)相應(yīng)越高，最大總延時(shí)在1 ms以內(nèi)。由于CAN總線在底層出錯(cuò)重發(fā)的錯(cuò)誤處理機(jī)制和幀間隙的存在，CAN總線很難達(dá)到滿負(fù)荷[16-17]。雖然會(huì)增大CAN總線的負(fù)載，但在一定程度上預(yù)防了丟幀問題，保證了傳輸?shù)目煽啃浴Ｋ詫?duì)于本CAN總線系統(tǒng)而言，只要保證負(fù)載率在50%以下，通信的實(shí)時(shí)性和可靠性都可以得到保證。

3.3 實(shí)例

以聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航控制為應(yīng)用實(shí)例[18-19]。表4給出了實(shí)例的CAN節(jié)點(diǎn)在4條CAN總線上的分布情況。表中的CAN1、CAN2、CAN3和CAN4分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)力CAN總線、設(shè)備管理CAN總線、專用設(shè)備CAN總線1和專用設(shè)備CAN總線2。在自動(dòng)導(dǎo)航的一個(gè)計(jì)算周期里，CAN3和CAN4上的GPS和陀螺儀模塊首先采集到收獲機(jī)的位置和姿態(tài)信息，然后將數(shù)據(jù)發(fā)給CAN2上的車載控制中心?？刂浦行母鶕?jù)位置信息和預(yù)設(shè)好的路徑，通過導(dǎo)航算法計(jì)算出收獲機(jī)的期望速度和轉(zhuǎn)角，將控制指令分別發(fā)送給CAN1上的2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，配合編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制。指示燈的閃爍狀態(tài)反映導(dǎo)航偏差大小和方向。在一個(gè)導(dǎo)航周期中，所有4條CAN總線均有數(shù)據(jù)傳輸，既有單條CAN總線內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，也有通過網(wǎng)關(guān)在不同CAN總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。在車輛行駛過程中不斷重復(fù)上述過程實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。

表4 導(dǎo)航試驗(yàn)CAN節(jié)點(diǎn)構(gòu)成及分布Tab.4 Structure and distribution of CAN nodes in navigation test

在保持原有導(dǎo)航算法的基礎(chǔ)上[20]，在本文所述的CAN總線架構(gòu)上進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。小型履帶式聯(lián)合收獲機(jī)以0.3 m/s的速度跟隨一條預(yù)設(shè)的直線，每0.5 s采集一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)并記錄。取20 s內(nèi)的40個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)比預(yù)設(shè)直線，計(jì)算出橫向偏差。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，20 s內(nèi)橫向偏差的平均值為2.55 cm，最大值為5.90 cm。使用傳統(tǒng)的單機(jī)控制時(shí)[21]，橫向偏差平均值為2.45 cm，最大偏差為5.86 cm，控制效果與本系統(tǒng)保持一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，本CAN總線架構(gòu)優(yōu)化了傳統(tǒng)的聯(lián)合收獲機(jī)控制方式，系統(tǒng)性能滿足聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航控制的需求。

圖7 小型履帶式聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航試驗(yàn)Fig.7 Navigation experiment of combine harvester

圖8 橫向偏差曲線Fig.8 Lateral deviation curves

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了聯(lián)合收獲機(jī)CAN總線應(yīng)用解決方案。建立了模塊化、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，制定了聯(lián)合收獲機(jī)CAN總線通信協(xié)議，協(xié)議包括聯(lián)合收獲機(jī)的各個(gè)子系統(tǒng)，并且在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議上都具有大量可擴(kuò)展空間。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)各條CAN總線負(fù)載率均小于30%，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)在不同CAN總線間的傳輸總延時(shí)小于1 ms。在小型履帶式聯(lián)合收獲機(jī)底盤自動(dòng)導(dǎo)航中，對(duì)比了傳統(tǒng)單機(jī)控制方式，導(dǎo)航偏差基本保持一致，滿足聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航控制需求。