李新宇 肖躍進(jìn) 萬川

摘 要：針對我國單臺農(nóng)機(jī)作業(yè)面積越來越大，對農(nóng)機(jī)的工作狀況信息的采集要求越來越高的特點(diǎn)，該文對大型農(nóng)機(jī)的工況信息采集方面進(jìn)行了分析，探討了CAN總線在大型農(nóng)機(jī)工況信息實(shí)時監(jiān)測方面的應(yīng)用。設(shè)計的工況信息采集系統(tǒng)有效解決了普通采集方式可靠性差，采集信息單一的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CAN總線 大型農(nóng)機(jī) 工況檢測

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0058-02

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程不斷加快，農(nóng)業(yè)機(jī)械化已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)量的快速增加，跨區(qū)作業(yè)能力的提高，農(nóng)機(jī)作業(yè)范圍越來越大。同時傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)作業(yè)信息反饋實(shí)時性差，不能滿足機(jī)車的組織者和參與者對信息快捷、準(zhǔn)確、詳細(xì)掌握的要求，不僅降低了農(nóng)機(jī)作業(yè)的工作效率和作業(yè)質(zhì)量，也造成了農(nóng)機(jī)的不合理配置，導(dǎo)致了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，阻礙了現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)作業(yè)的發(fā)展。因此，對農(nóng)業(yè)機(jī)械的信息化管理調(diào)度和安全作業(yè)的保障技術(shù)提出了更高的要求。良好的農(nóng)業(yè)機(jī)械管理調(diào)度和遠(yuǎn)程作業(yè)工況信息實(shí)時監(jiān)測能夠確保農(nóng)機(jī)作業(yè)效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適時進(jìn)行，對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展有著重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在作業(yè)機(jī)械上配備信息采集器，監(jiān)測機(jī)車工作中的運(yùn)行狀態(tài)，包括機(jī)車定位、發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)，油耗，作業(yè)面積等，通過CAN總線傳至核心處理器，同時在核心處理器部分也可以通過人工干預(yù)，根據(jù)經(jīng)驗對算法做出適度調(diào)整，最終將核心處理器綜合分析得到數(shù)據(jù)及參數(shù)生成機(jī)車的工況信息，并由顯示模塊顯示，存儲模塊加以保存及發(fā)送。其系統(tǒng)流程如圖1所示。

2 工況信息的采集設(shè)備

油箱剩余水量和水箱剩余水量采用S5-X300型浮子液位傳感器[1]進(jìn)行采集，其輸出信號為0～5 V電壓信號，使用片內(nèi)帶有A/D轉(zhuǎn)換功能的STC15系列單片機(jī)將采集的電壓信號轉(zhuǎn)換成液位的實(shí)際值：

式中l(wèi)表示油箱（或水箱）的剩余量；l表示油箱（水箱）的容積；v采表示浮子傳感器輸出的電壓量。

油箱和水箱的溫度采集采用磁鐵吸附式DS18b20溫度傳感器，DS18b20是常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。在探頭部分加了不銹鋼磁性探頭，使得模塊的安裝更加方便。

機(jī)車地理位置信息采集使用得北斗二代衛(wèi)星接收模塊，通過實(shí)時采集機(jī)車的經(jīng)緯信息，并將數(shù)據(jù)通過CAN總線傳給核心處理器，以供使用。

利用霍爾傳感器對安裝在機(jī)車輪胎部位的磁性物體進(jìn)行采集，通過STC15處理器轉(zhuǎn)換成速度信息，利用CAN總線將實(shí)時速度傳給核心處理器。

預(yù)留其他傳感器數(shù)據(jù)接口以便后續(xù)功能擴(kuò)展。考慮到信息技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)品使用周期及軟件更新的要求，對于后續(xù)其他可用功能有必要加以擴(kuò)展，增加產(chǎn)品的多功能性，延長使用周期，促進(jìn)工作人員的再開發(fā)能力。

3 利用CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸

3.1 CAN總線簡介及其特點(diǎn)

CAN全稱為控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Control

ler Area Network），是著名的德國BOSCH公司開發(fā)，最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。它是世界上使用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線。因此，近年來，其可靠性高、性能優(yōu)良、性價比高、差錯檢測能力強(qiáng)已引起人們的注意，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動大的工業(yè)環(huán)境。同時，在工業(yè)自動化，船舶，醫(yī)療設(shè)備，工業(yè)設(shè)備等，因為其協(xié)議開放，價格低廉，且使用相對簡單也已被廣泛認(rèn)同。

該系統(tǒng)將可靠的CAN總線應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械的工況檢測上，使得系統(tǒng)的可靠性大大提高。

3.2 CAN協(xié)議

在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定格式發(fā)送?？偩€處于空閑狀態(tài)時，所有與總線相連的單元都可以開始發(fā)送新消息。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，根據(jù)標(biāo)識符（以下稱為ID）決定優(yōu)先級。ID并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問總線的消息的優(yōu)先級。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，對各消息ID的每個位進(jìn)行逐個仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元則立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理及傳輸

將北斗衛(wèi)星接收模塊采集到的機(jī)車經(jīng)緯度、霍爾傳感器采集到的速度數(shù)據(jù)、溫度傳感器和液位傳感器采集到的油箱及水箱溫度和液位數(shù)據(jù)以及其他傳感器采集到的數(shù)據(jù)分別由各自相連的STC15單片機(jī)預(yù)處理后按照CAN2.0B協(xié)議優(yōu)先級跟CAN1進(jìn)行通訊，CAN1通過收發(fā)器與建立連接，將數(shù)據(jù)通過CAN總線傳至發(fā)送端核心處理器中進(jìn)行處理。

CAN節(jié)點(diǎn)硬件原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)采用STC15系列單片機(jī)[2]作為微處理器，SJAl000作為通信控制器，A1050/C為總線提供信號驅(qū)動能力。發(fā)送端TX0與接收端RX0分別與CAN收發(fā)器A1050/C的TXD和RXD相連，A1050/C的CANH與CANL引腳直接與CAN總線電纜相連。

在傳輸線方面，因為作業(yè)環(huán)境惡劣，機(jī)車工作時受到各方面因素影響，比如機(jī)車的劇烈震動對線纜強(qiáng)度的要求，其他設(shè)備布線密集產(chǎn)生的微波干擾等，因此選擇一款性能優(yōu)良，穩(wěn)定性強(qiáng)的電纜是確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定與準(zhǔn)確的前提。本系統(tǒng)專用的雙絞屏蔽線，如圖3所示。導(dǎo)線外部有導(dǎo)體包裹的導(dǎo)線叫屏蔽線，包裹的導(dǎo)體叫屏蔽層，為編織銅網(wǎng)，屏蔽層需要接地，外來的干擾信號可被該層導(dǎo)入大地，避免非目標(biāo)信號干擾內(nèi)層導(dǎo)體，同時降低傳輸信號的損耗。雙絞線采用了一對互相絕緣的金屬導(dǎo)線互相絞合的方式來抵御一部分外界電磁波干擾。把兩根絕緣的銅導(dǎo)線按一定密度互相絞在一起，可以降低信號干擾的程度，每一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發(fā)出的電波抵消，提高抗干擾能力。

4 核心處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示、儲存

4.1 核心處理器對數(shù)據(jù)的處理及分析

μC/OS?III是一個可裁剪、可固話、可剝奪型的實(shí)時內(nèi)核，管理任務(wù)的數(shù)目不受限制，是由著名的μC/OS?II發(fā)展而來，是第三代內(nèi)核。μC/OS?III針對以ARM Cor?tex[3]為代表的新一代CPU，面向帶有可用于優(yōu)先級查表的硬件指令的32位CPU的嵌入式應(yīng)用。

因為傳感器采集到的數(shù)據(jù)只是簡單溫度，比例等信息，所以需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理得到的才是真正的工況信息。其數(shù)據(jù)處理運(yùn)算基于μC/OS III。

作業(yè)面積的計算：

其中S表示做業(yè)面積；l表示農(nóng)機(jī)做業(yè)的寬度，在人機(jī)交互界面手動輸入；d北表示北斗衛(wèi)星采集到的不同時間位置換算成距離信息；k為北斗衛(wèi)星采集到的機(jī)車做業(yè)距離所占的權(quán)重比。由于北斗衛(wèi)星和霍爾傳感器在采集信息方面均有一定的誤差，為了使計算準(zhǔn)確這里使用加入權(quán)重系數(shù)，使得兩者采集到的數(shù)據(jù)能夠互補(bǔ)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)兩者的準(zhǔn)確性，k值經(jīng)測試為60%；vhall為霍爾傳感器采集到的速度信息；ts為做業(yè)時間；ta是機(jī)車運(yùn)行時間（包括行駛但未做業(yè)時間和行駛做業(yè)時間）。

油量維持時間的計算：通過采集單位時間的油耗結(jié)合近期耗油率（工作時間段的總油耗與工作時間之比），對當(dāng)前剩余油量能夠維持的時間進(jìn)行預(yù)測，以供駕駛員參考和總臺終端設(shè)備監(jiān)測，其計算方式如下：

其中l(wèi)表示剩余油量；k表示權(quán)重系數(shù)。其原因與上文類似，在此不早贅述，經(jīng)實(shí)驗測得k的系數(shù)為75%。則由上式得到油量可維持時間假如<40 min則會給駕駛員發(fā)出提醒，提示加油，<20 min則發(fā)出聲音警告。

油箱和水箱的溫度由溫度采集模塊采集，經(jīng)CAN總線傳給核心處理器做出判斷，如果油箱溫度>80 ℃，或者水箱溫度>90 ℃則給駕駛員提出提醒。

4.2 顯示模塊

顯示裝置采用7寸TFT液晶屏配電阻式觸摸屏作為人交互界面，用于輸入機(jī)車的各項參數(shù)。并且屏幕不受灰塵、水汽和油污的影響，因此可以在較低或較高溫度的環(huán)境下使用。電阻式觸控屏的原理是壓力感應(yīng)，可以用任何物體來觸摸，即便是帶著手套也可以操作，并可以進(jìn)行手寫識別。由于成熟的技術(shù)，較低的門檻和成本較為廉價，因此被廣泛應(yīng)用。電阻式觸摸屏是一種壓力傳感器，其工作原理是將矩形區(qū)域中觸摸點(diǎn)（X，Y）的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓。很多LCD模塊都采用了電阻式觸摸屏，這種屏幕可以用四線、五線、七線或八線來產(chǎn)生屏幕偏置電壓，同時讀回觸摸點(diǎn)的電壓。為了在電阻式觸摸屏特定方向上測量一個坐標(biāo)，需要對一個阻性層進(jìn)行偏置。

4.3 存儲模塊

采用SD卡作為數(shù)據(jù)儲存介質(zhì)的儲存裝置，使用FATFS文件系統(tǒng)[4]。在配置了SD卡以及USB的驅(qū)動之后，把FATFS文件系統(tǒng)代碼移值到工程之中，就可以利用文件系統(tǒng)的各種函數(shù)對已經(jīng)格式化的SD卡或者U盤進(jìn)行讀/寫。軟件工程建立所用的集成開發(fā)編譯環(huán)境為keilMDK4.12，再將μC/OS?III移值到工程當(dāng)中，初始化后，通過μC/OS?III的任務(wù)機(jī)制建立兩個任務(wù)，分別對SD卡以及USB接口進(jìn)行初始化。還需要將對SD卡以及USB讀寫的函數(shù)放入到FATFS的底層函數(shù)中去，供上層函數(shù)調(diào)用，系統(tǒng)需要實(shí)時檢測是否有U盤連接上。當(dāng)設(shè)備檢測到有U盤插入時，系統(tǒng)會對USB設(shè)備進(jìn)行枚舉操作，從而知道設(shè)備具有什么功能、屬于哪一類設(shè)備、要占用多少帶寬、使用哪類傳輸方式及數(shù)據(jù)量大小，主機(jī)確定了這些信息之后，設(shè)備才能真正的正常工作。枚舉通過后USB設(shè)備會觸發(fā)名為OTG_FS_IRQHandler的中斷，在該中斷下最后會執(zhí)行用戶應(yīng)用程序USBH_MSC_Application，在該程序下將U盤中文件拷貝到SD當(dāng)中。USBH_MSC_Application，在該程序下將U盤中文件拷貝到SD當(dāng)中。

5 結(jié)語

通過對作業(yè)機(jī)械上配備基于CAN總線的信息采集器，監(jiān)測機(jī)車在工作中的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)反饋信息做出判斷的檢測系統(tǒng)的研究與優(yōu)化，該文得到如下的結(jié)論。

（1）首先將傳感器得到數(shù)據(jù)利用STC15單片機(jī)預(yù)處理，再次利用CAN總線傳輸，經(jīng)過兩次的初始化處理提升了數(shù)據(jù)采集的可靠性。

（2）基于μC/OS?III內(nèi)核的嵌入式應(yīng)用，嚴(yán)格按照優(yōu)先級的系統(tǒng)運(yùn)算，將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)按照權(quán)重所占比例分配，優(yōu)化算法，保證了計算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（3）顯示模塊的電阻式觸摸屏除了做到一模兩用，更加方便快捷操作的同時，也是作為人機(jī)交換的模塊參與到機(jī)車各種參數(shù)的設(shè)定與修正，提高了系統(tǒng)操作的準(zhǔn)確性。

（4）USB接口的應(yīng)用不僅可以方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫與擴(kuò)展，也可以擴(kuò)展產(chǎn)品的多功能性，延長換代周期，促進(jìn)工作人員的再開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王海國，魏明，靳筍.磁浮子液位計在長慶油田數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用[J].中國計量，2014（5）：109-110.

[2] 廉春原.基于SJA1000的CAN智能測控節(jié)點(diǎn)設(shè)計[J].內(nèi)江科技，2014（1）：58，73.

[3] 付晨.基于Cortex-M3的農(nóng)業(yè)大棚無線測控系統(tǒng)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[4] 劉智勇，陳鵬飛，宿磊，等.基于STM32芯片的U盤/SD卡文件傳輸技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（18）：107-109.