基于can總線的聯(lián)合收割機工作狀態(tài)智能化監(jiān)測系統(tǒng)研究

1、一 3 8 2一 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2 0 1 2年第 4 0 卷第 4 期 謝 蓓 ， 尹文慶 ， 朱 劍．基于 C A N總線的聯(lián)合收 割機工作狀態(tài)智能化監(jiān)測 系統(tǒng)研究[ J ] ．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 4 ) ： 3 8 2 — 3 8 6基于 C A N總線的聯(lián)合收割機工作狀態(tài) 智能化監(jiān)測系統(tǒng)研究 謝 蓓 ， 尹文慶 ， 朱 劍( 南京農(nóng)業(yè) 大學(xué)工學(xué) 院／ 江蘇省高等學(xué)校智 能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室 ，

2、江蘇南京 2 1 0 0 3 1 )摘要 ： 系統(tǒng) 以實現(xiàn)聯(lián)合 收割機工作過程 中的信息采集 、 傳遞 、 存儲 、 顯示為 目的， 將駕駛員所需 的聯(lián)合收割機 行走 速度、 喂入量 、 谷粒 總損失率 、 割臺高度 、 脫粒滾筒轉(zhuǎn)速 、 輸糧攪 龍轉(zhuǎn)速、 谷物籽粒流量等主要工作狀態(tài)參數(shù)進行實 時監(jiān) 測 。終端選 用 $ 3 C 2 4 1 0 核心處理器 ， L i n u x2 ． 4 ． 1 0操作 系統(tǒng) ， 各 采集 節(jié)點 均選

3、 用 S T C 8 9 C 5 2 R C核心 處理 器 ； 利用 Q TS D K技術(shù)實現(xiàn)終端界面設(shè)計 ， 并具 有歷史數(shù) 據(jù)保存 和查詢 功能 ； 基 于 C A N總線 的二級分布式結(jié) 構(gòu)實現(xiàn) 了終端與各 分 節(jié)點通信。通過運行 調(diào)試 ， 系統(tǒng)能夠滿足基本 的實時性和可靠性要求。關(guān)鍵 詞 ： 聯(lián)合收割機 ； C A N總線 ； 信息采集 ； 監(jiān)測系統(tǒng) 中圖分類號 ： s 2 2 5文獻標志碼 ： A文章編號 ： 1 0 0 2

4、— 1 3 0 2 ( 2 0 1 2 ) 0 4 — 0 3 8 2 — 0 5聯(lián)合收割機是稻麥生產(chǎn)收獲 環(huán)節(jié)的主要機 械 ， 近 年來 得 到前所未有的快速發(fā)展。各種機 電一體化技術(shù)產(chǎn) 品迅速開發(fā) 出來 ， 裝備到聯(lián)合 收割機上 ， 用 于實現(xiàn)聯(lián)合收割機作業(yè) 的高效 率 、 高質(zhì)量、 低成本和改善操作者 的舒適性與安全性 。作為現(xiàn)場總線 之一 的 C A N( c o n t r o l l e ra r e an e t w o

5、r k ， 簡稱 C A N ) 總線 ， 具有 獨特 的設(shè)計 思想 、 良好 的功能 特性 、 極 高 的可靠性和很強的現(xiàn)場抗干擾能力 ， 被選用 作為農(nóng)業(yè)機 械應(yīng)用 的總線標準協(xié) 議 的基礎(chǔ) 。為 了實現(xiàn) 聯(lián)合 收割機 的智 能化操 作 ， 提高其作業(yè)質(zhì)量并保證聯(lián)合收割機能高效 、 安全、 可靠、 穩(wěn) 定地 工作 ， 國外 一些先進 的聯(lián)合收割機 上 ， 已裝備有 喂入量、谷物濕度 、 作業(yè)速度 、 割 臺高度 、 G P S 定位

6、等 多個 電子 檢測單 元 ， 實現(xiàn) 了 作 業(yè)速度 、 割茬高 度、 脫粒 喂入量 、 脫 粒滾筒轉(zhuǎn) 速、谷粒損失率等作業(yè)參數(shù)的監(jiān)測 、 顯示以及控制 ， 并且兼有故 障診斷及報警 ， 計算 和統(tǒng)計作業(yè)面積 、 耗油率及產(chǎn)量等智 能化功 能。 目 前我 國聯(lián)合收割機 電子化 與 自動化 水平普遍 較低 ， 質(zhì) 量與技術(shù)水平與 國外同型號產(chǎn)品相 比要相差 2 ～ 4 代 ， 作業(yè)過 程中谷粒損失率偏高 ， 已經(jīng)嚴重制 約了 國內(nèi)聯(lián)合 收

7、割機 的發(fā) 展。這就迫切需要研究相應(yīng) 的監(jiān)測系 統(tǒng) ， 對聯(lián)合 收割機各性 收稿 日期 ： 2 0 1 1 — 0 9— 0 7作者簡介 ： 謝蓓 ( 1 9 8 8 一 ) ， 女 ， 江 蘇常州人 ， 碩 士研究生 ， 研 究方 向為機電一體化。E — m a i l ： x i a o x i e 8 8 1 2 0 @y a h o o ． o o m ． c n 。通信作者 ： 尹文慶 ， 男 ， 教授 ， 博士生導(dǎo) 師 ，

8、研究方 向為智能 檢測與 控 制技術(shù)、 農(nóng)業(yè)機器人。E— m a i l ： y i n w q @n j a u ． e d u ． e n 。( 上接 第 3 8 1頁)過研究結(jié)果可 知 ， 政府 、 企業(yè) 、 農(nóng) 戶都是農(nóng) 田水利工程 的利 益 相關(guān)者 ， 他們 的加入都會直接或 間接影響農(nóng) 田水利工程 的 良性發(fā)展 。大家應(yīng)該 響應(yīng) 中央一號文件 的號召 ， 積極支持農(nóng) 田水利建設(shè) ， 為農(nóng)業(yè) 的快速發(fā)展打下更堅實 的基礎(chǔ)。參

9、考文 獻 ：[ 1 ] 《 基層水利發(fā)展的現(xiàn)狀、 問題與對策研究》 課題組． 我國基層水利 發(fā)展 的現(xiàn)狀 、 問題與對策 [ J ] ． 中 國水利 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 1 4 — 1 8 ．能參數(shù)進行綜合調(diào)整 ， 從而實現(xiàn)聯(lián) 合收割機工作 狀態(tài)智能化 監(jiān)測對推進我國農(nóng) 機化 發(fā)展 ， 實現(xiàn)農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代 化有著重要 的意義 。1 系統(tǒng)總體方案 系統(tǒng)主要監(jiān)測有關(guān)聯(lián)合收割機實際工作過程中的實時狀 態(tài)參數(shù) ， 包括行走速度

10、、 喂入量 、 谷 粒總損失率、 割 臺高度、 脫 粒滾筒轉(zhuǎn)速 、 輸糧攪龍轉(zhuǎn)速、 谷物籽粒流量等 。聯(lián)合收割機在 實際的 田間作業(yè)時 ， 由于谷物籽粒流量、 收割 機前 進速度 、 割 臺高度等 因素的影響 ， 喂入聯(lián)合 收割機 的作 物量是隨時變化 的。聯(lián)合收割機的工作狀態(tài)與其前進速度 、 喂入量 、 脫粒滾筒 轉(zhuǎn)速、 輸糧攪龍轉(zhuǎn) 速、 谷粒總損失率 等密 切相 關(guān) ， 可 以通過調(diào) 節(jié)聯(lián)合 收割機 的前進速度來保持合理的、 均勻的

11、喂入量 ， 使脫 粒滾筒 和輸糧攪龍的負荷穩(wěn)定 ， 使聯(lián)合 收割機總損失率 不超 過允許值 。所 以系統(tǒng)選擇以上 7 個信 息作為研究對象 。系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)框 圖如 圖 1所示。2 ． 1C A N接 口電路 設(shè) 計 整個系統(tǒng)采用上 、 下位機二級分布式結(jié)構(gòu) ， 上位機是整個 系統(tǒng)的控制 中樞 ， 選用 $ 3 C 2 4 1 0為核心處 理器 ， L i n u x2 ． 4 ． 1 0為操作系統(tǒng) 。它主要負責(zé)各分 節(jié)點的整體規(guī) 劃、

12、各狀態(tài) 信息 的發(fā)送和接收。下位機均 選用 S T C 8 9 C 5 2 R C核心 處理器 ， 負責(zé)采集聯(lián)合 收割機 的工作狀態(tài)并進行處理 。系統(tǒng)中被采集的 模擬量信號通過 A ／ D轉(zhuǎn)換為脈沖信號 ， 脈 沖信號經(jīng)調(diào)理后進 [ 2 ] 劉 亞君 ， 譚 萍． 海城市小型農(nóng) 田水利建設(shè)現(xiàn)狀及對策措施 [ J ] ．吉林水利 ， 2 0 0 7 ( 增刊 ) ： 6 6 — 6 7 ．[ 3 ] 劉 愛民． 成縣小型農(nóng) 田水利建設(shè)的思

13、考 [ J ] ． 農(nóng)技服務(wù) ， 2 0 0 7 ， 2 4( 1 O ) ： l 1 9—1 2 0 ．[ 4 ] 李宗才 ， 韋春生． 對 農(nóng)村小 型農(nóng) 田水利設(shè)施 建設(shè) 的思 考 [ J ] ．合 肥師范學(xué) 院學(xué)報 ， 2 0 1 0 ， 2 8 ( 5 ) ： 3 O一 3 3 ．[ 5 ] 屈 哲．P F I 項 目與我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)[ J ] ． 遼寧大學(xué)學(xué)報 ： 哲 學(xué)社會科學(xué)版 ， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 2

14、) ： l 1 5 一 l 1 8 ．[ 6 ] 張極井 ． 項 目融資[ M] ．北京 ： 中信 出版社 ， 2 0 0 3 ： 7 8 — 8 1 ．- - — — 3 8 4- - — —江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2 0 1 2 年第 4 0 卷第 4 期 進值越低優(yōu)先權(quán)越 高。二是 在 C A N節(jié)點發(fā)送 報文到 目標節(jié) 點時 ， 若要 目 標節(jié)點能夠接收到此報文并產(chǎn)生接收 中斷 ， 發(fā)送 報文中的 I D必須通過 目標節(jié)點 的驗 收濾波器

15、才能放 在接收 緩沖區(qū)中 ?？梢?， 報文 I D的設(shè)置主要在報文發(fā)送過程 中起 決定性作用 ， 它關(guān)系到通 訊 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 的合理性和傳輸 效率的 高低 。擴展幀格式 I D 占 4 個字節(jié) ， 本系統(tǒng) 的 I D分配表如 表 1 所示。表 lI D分配表 節(jié) 點 名 稱(釬) ( 字 I D 節(jié) 1 1 ) ( 字 I D 節(jié) 2 2 ) ( 字 I D 節(jié) 33 ) ( 字 I D 節(jié) 4 4 ) 優(yōu) 先 級為 了讓上位機可以接收所

16、有 的信息 ， 規(guī)定上 位機主節(jié)點 的標識符為 0 。由于所有下位機控制器都具有相 同的通訊硬 件結(jié)構(gòu) ， 且行走速度 、 喂入量 、 谷 粒總損失率的實時性要求要 高于其他 4個采集節(jié)點 ， 所 以其優(yōu)先權(quán)要高于割 臺高度 、 滾筒 轉(zhuǎn) 速、 攪龍轉(zhuǎn)速 、 谷物籽粒流量 的優(yōu)先權(quán) ， 其 中谷物籽粒流量 的優(yōu)先級設(shè)置為最低。由于系統(tǒng)軟 件流程的規(guī)定 ， 主節(jié)點不 會 與 7 個分節(jié)點同時向總線發(fā)送報文 ， 因此這 里的主節(jié)點不 設(shè) 置

17、優(yōu)先級 。主節(jié)點 I D中的“” 表示不確 定的值 ， “” 要 根據(jù)從節(jié)點 的驗 收濾波器進 行設(shè)置 。C A N主 節(jié)點 只向從節(jié) 點發(fā)送遠程幀 ， 因此幀信息設(shè) 置為 0 x C 0 ， 沒有數(shù)據(jù)位 ； C A N從 節(jié)點發(fā)送 的都是數(shù)據(jù)幀 ， 因此幀信息設(shè)置為 0 x 8 8 ， 8 位數(shù)據(jù)字 節(jié)則根據(jù)具體的 C A N從節(jié)點報文的編碼規(guī)則進行填充。C A N總線 網(wǎng)絡(luò)中的另 一個 關(guān)鍵是設(shè)置驗 收濾波器 ， 驗收 濾波器 由

18、驗收代碼寄存器( A C R ) 和驗收屏蔽寄存器( A M R ) 組 成 J 。A C R和 A M R各 占 4 個字 節(jié) ， 本系統(tǒng)選用 濾波模式 ，驗收濾波器的設(shè)置如表 2 所示。A M R的某一位 A M R ~ x = O時，只有報文的標識符和相應(yīng) 的 A C RX完全一致才能被接 收； 當(dāng) A M R的某一位 A M R ^ x = 1 時 ， 相應(yīng) 的報文標識符位 為任 何值 也能被成功接收 J 。主節(jié)點 的 A

19、C R和 A M R的各位 均設(shè) 置為 1 ， 即在總線上的任何報文主節(jié)點均無條件接收 ， 而另外 7 個分 節(jié)點則 只能接收那些與 自 身驗收濾波器相符的報文。表 2 驗收濾波器設(shè)置 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 為了保證軟件 的通用性 和可移植性 ， 下位 機軟件采 用 C語言編寫 ， 因為 C語 言編寫 的軟件易 于實現(xiàn) 模塊化 ， 生 成 的機器代碼質(zhì)量高 、 可讀性強 、 移植好 。使用 的工具是 K e i lu V i -s i o

20、n 3 編譯 環(huán)境 。利用 Q TS D K技術(shù)實現(xiàn) 終端界面設(shè)計 ， 程序 用 C+ + 語言進行編寫 。系統(tǒng) 的程 序結(jié)構(gòu)主要包括 系統(tǒng)主程 序 ， 各 節(jié)點 C A N通訊模塊程序 以及終端軟件程序等 。4 ． 1系統(tǒng)主程序的設(shè)計 系統(tǒng)的軟件是由一個 主程序和若 干子程序構(gòu)成 ， 主程序 負責(zé)調(diào)度各個子模塊 ， 各個子模塊負責(zé)處理相應(yīng) 的功能模塊。信息系統(tǒng)在接通電源以后 ， 進行初始化 ， 采集各個節(jié)點的輸入 信號 ， 并在相應(yīng)

21、的界面上進行顯示 。主程序開始后 ， U S B C A N— I 設(shè)備分 別進行 初始化 ， 若 初 始化不成功則調(diào)整參數(shù)后重新初始化設(shè)備 ； 若初始化成功 ， 則 分別按 照其報文 的編碼規(guī) 則進行解 碼并 顯示 。對 于 C A N—b u s 通信 網(wǎng)絡(luò) ， U S B C A N— I 設(shè)備初 始化成功后將等待各 C A N從節(jié)點 的狀態(tài)反饋 ， 若有 1 個節(jié)點狀態(tài)反饋失敗 ， 則相應(yīng)的節(jié) 點出現(xiàn)故 障 ， 檢測維 修后重新

22、初始 化 U S B C A N— I 設(shè)備 ； 若各 C A N從節(jié)點均工作正 常 ， C A N主節(jié) 點會定 時向 C A N從 節(jié)點 發(fā)送遠程幀請求獲取傳感器數(shù)據(jù) ， 然后 等待數(shù)據(jù) 的到達 ， C A N主節(jié)點按優(yōu)先級順序接收到數(shù)據(jù)后 ， 主程序按照 C A N從節(jié)點 報 文的編碼規(guī)則進行解碼并顯示 ， 如圖 3 ( a ) 所示。對于 S J A 1 0 0 0 控制器初始化 ， 如 圖 3 ( b ) 所示 。首先將模 式寄

23、存器 ( M O D ) 復(fù)位模 式位置 位 ， 進入復(fù)位模 式 ， 之后通過 將 時鐘分頻寄存器( C D R ) 的第 7位和第 4 位置位來選 擇 P e l -i C A N模式 ， 同時關(guān) 閉時鐘 輸出 ( C L O C K— O U T ) ； 通過總線 定 時寄存器 0 ( B T R 0 ) 和總線定 時寄存器 1 ( B T R 1 ) 設(shè)置波特率 ，這里設(shè)置 B T R 0 = 0 x 0 3 、 B T R 0

24、= 0 x l C ； 為接收代碼( A C R ) 寄存 器賦初值 ， 即配置本節(jié)點的 I D號 ； 為接收屏蔽寄存器 ( A M R )賦初值 ； 對模式 寄存器進 行配 置 ， 選 擇單濾 波 、 正常模 式 ； 對 S J A 1 0 0 0 控制寄存器設(shè)置完畢后 ， 退 出復(fù)位模式 ， 返 回工作模 式 。最后對 中斷使能寄存器( I E R ) 進行配置 ， 開啟 中斷 ? 。4 ． 2C A N通訊模塊程序設(shè)計 C A

25、N通訊模塊程序 是系統(tǒng)軟件設(shè)計 的重要組成部分 ， 主 要包括 C A N通訊模塊程序的初始化 ， 程序 的接收和發(fā)送 。如 圖 3 ( c ) 為 C A N從節(jié) 點程序流程圖。程 序開始后進行單片機 初始化和 中斷設(shè) 置 ， A ／ D模塊初 始化。然后 ， 進行 C A N控制 器 的初始化 ， 即單片機對 C A N控制器內(nèi)部控制段 中的一些 寄存器送入初始化參數(shù) ， 在復(fù)位期 間必須初始化 的寄存器有控 制寄存器 C T L