基于CAN总线的农用机车工况检测系统

李新宇 肖跃进 万川

摘 要：针对我国单台农机作业面积越来越大，对农机的工作状况信息的采集要求越来越高的特点，该文对大型农机的工况信息采集方面进行了分析，探讨了CAN总线在大型农机工况信息实时监测方面的应用。设计的工况信息采集系统有效解决了普通采集方式可靠性差，采集信息单一的特点。

关键词：CAN总线 大型农机 工况检测

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0058-02

随着我国农业现代化的进程不断加快，农业机械化已成为现代农业的重要组成部分。由于农业机械数量的快速增加，跨区作业能力的提高，农机作业范围越来越大。同时传统农机作业信息反馈实时性差，不能满足机车的组织者和参与者对信息快捷、准确、详细掌握的要求，不仅降低了农机作业的工作效率和作业质量，也造成了农机的不合理配置，导致了资源的严重浪费，阻碍了现代化农机作业的发展。因此，对农业机械的信息化管理调度和安全作业的保障技术提出了更高的要求。良好的农业机械管理调度和远程作业工况信息实时监测能够确保农机作业效率，促进农业生产适时进行，对农业现代化发展有着重要意义。

1 系统设计

在作业机械上配备信息采集器，监测机车工作中的运行状态，包括机车定位、发动机工作状态，油耗，作业面积等，通过CAN总线传至核心处理器，同时在核心处理器部分也可以通过人工干预，根据经验对算法做出适度调整，最终将核心处理器综合分析得到数据及参数生成机车的工况信息，并由显示模块显示，存储模块加以保存及发送。其系统流程如图1所示。

2 工况信息的采集设备

油箱剩余水量和水箱剩余水量采用S5-X300型浮子液位传感器[1]进行采集，其输出信号为0～5 V电压信号，使用片内带有A/D转换功能的STC15系列单片机将采集的电压信号转换成液位的实际值：

式中l表示油箱（或水箱）的剩余量；l表示油箱（水箱）的容积；v采表示浮子传感器输出的电压量。

油箱和水箱的温度采集采用磁铁吸附式DS18b20温度传感器，DS18b20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。在探头部分加了不锈钢磁性探头，使得模块的安装更加方便。

机车地理位置信息采集使用得北斗二代卫星接收模块，通过实时采集机车的经纬信息，并将数据通过CAN总线传给核心处理器，以供使用。

利用霍尔传感器对安装在机车轮胎部位的磁性物体进行采集，通过STC15处理器转换成速度信息，利用CAN总线将实时速度传给核心处理器。

预留其他传感器数据接口以便后续功能扩展。考虑到信息技术的快速发展，产品使用周期及软件更新的要求，对于后续其他可用功能有必要加以扩展，增加产品的多功能性，延长使用周期，促进工作人员的再开发能力。

3 利用CAN总线的数据传输

3.1 CAN总线简介及其特点

CAN全称为控制器局域网络（Control

ler Area Network），是著名的德国BOSCH公司开发，最终成为国际标准（ISO11898）。它是世界上使用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。因此，近年来，其可靠性高、性能优良、性价比高、差错检测能力强已引起人们的注意，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。同时，在工业自动化，船舶，医疗设备，工业设备等，因为其协议开放，价格低廉，且使用相对简单也已被广泛认同。

该系统将可靠的CAN总线应用在农业机械的工况检测上，使得系统的可靠性大大提高。

3.2 CAN协议

在CAN协议中，所有的消息都以固定格式发送。总线处于空闲状态时，所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符（以下称为ID）决定优先级。ID并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消息的優先级。两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（被判定为优先级最高）的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。

3.3 数据预处理及传输

将北斗卫星接收模块采集到的机车经纬度、霍尔传感器采集到的速度数据、温度传感器和液位传感器采集到的油箱及水箱温度和液位数据以及其他传感器采集到的数据分别由各自相连的STC15单片机预处理后按照CAN2.0B协议优先级跟CAN1进行通讯，CAN1通过收发器与建立连接，将数据通过CAN总线传至发送端核心处理器中进行处理。

CAN节点硬件原理框图如图2所示，系统采用STC15系列单片机[2]作为微处理器，SJAl000作为通信控制器，A1050/C为总线提供信号驱动能力。发送端TX0与接收端RX0分别与CAN收发器A1050/C的TXD和RXD相连，A1050/C的CANH与CANL引脚直接与CAN总线电缆相连。

在传输线方面，因为作业环境恶劣，机车工作时受到各方面因素影响，比如机车的剧烈震动对线缆强度的要求，其他设备布线密集产生的微波干扰等，因此选择一款性能优良，稳定性强的电缆是确保数据传输稳定与准确的前提。本系统专用的双绞屏蔽线，如图3所示。导线外部有导体包裹的导线叫屏蔽线，包裹的导体叫屏蔽层，为编织铜网，屏蔽层需要接地，外来的干扰信号可被该层导入大地，避免非目标信号干扰内层导体，同时降低传输信号的损耗。双绞线采用了一对互相绝缘的金属导线互相绞合的方式来抵御一部分外界电磁波干扰。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消，提高抗干扰能力。

4 核心处理器对数据进行分析、显示、储存

4.1 核心处理器对数据的处理及分析

μC/OS?III是一个可裁剪、可固话、可剥夺型的实时内核，管理任务的数目不受限制，是由著名的μC/OS?II发展而来，是第三代内核。μC/OS?III针对以ARM Cor?tex[3]为代表的新一代CPU，面向带有可用于优先级查表的硬件指令的32位CPU的嵌入式应用。

因为传感器采集到的数据只是简单温度，比例等信息，所以需要进一步的数据处理得到的才是真正的工况信息。其数据处理运算基于μC/OS III。

作业面积的计算：

其中S表示做业面积；l表示农机做业的宽度，在人机交互界面手动输入；d北表示北斗卫星采集到的不同时间位置换算成距离信息；k为北斗卫星采集到的机车做业距离所占的权重比。由于北斗卫星和霍尔传感器在采集信息方面均有一定的误差，为了使计算准确这里使用加入权重系数，使得两者采集到的数据能够互补，提高数据的准确性，根据两者的准确性，k值经测试为60%；vhall为霍尔传感器采集到的速度信息；ts为做业时间；ta是机车运行时间（包括行驶但未做业时间和行驶做业时间）。

油量维持时间的计算：通过采集单位时间的油耗结合近期耗油率（工作时间段的总油耗与工作时间之比），对当前剩余油量能够维持的时间进行预测，以供驾驶员参考和总台终端设备监测，其计算方式如下：

其中l表示剩余油量；k表示权重系数。其原因与上文类似，在此不早赘述，经实验测得k的系数为75%。则由上式得到油量可维持时间假如<40 min则会给驾驶员发出提醒，提示加油，<20 min则发出声音警告。

油箱和水箱的温度由温度采集模块采集，经CAN总线传给核心处理器做出判断，如果油箱温度>80 ℃，或者水箱温度>90 ℃则给驾驶员提出提醒。

4.2 显示模块

显示装置采用7寸TFT液晶屏配电阻式触摸屏作为人交互界面，用于输入机车的各项参数。并且屏幕不受灰尘、水汽和油污的影响，因此可以在较低或较高温度的环境下使用。电阻式触控屏的原理是压力感应，可以用任何物体来触摸，即便是带着手套也可以操作，并可以进行手写识别。由于成熟的技术，较低的门槛和成本较为廉价，因此被广泛应用。电阻式触摸屏是一种压力传感器，其工作原理是将矩形区域中触摸点（X，Y）的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。很多LCD模块都采用了电阻式触摸屏，这种屏幕可以用四线、五线、七线或八线来产生屏幕偏置电压，同时读回触摸点的电压。为了在电阻式触摸屏特定方向上测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置。

4.3 存储模块

采用SD卡作为数据储存介质的储存装置，使用FATFS文件系统[4]。在配置了SD卡以及USB的驱动之后，把FATFS文件系统代码移值到工程之中，就可以利用文件系统的各种函数对已经格式化的SD卡或者U盘进行读/写。软件工程建立所用的集成开发编译环境为keilMDK4.12，再将μC/OS?III移值到工程当中，初始化后，通过μC/OS?III的任务机制建立两个任务，分别对SD卡以及USB接口进行初始化。还需要将对SD卡以及USB读写的函数放入到FATFS的底层函数中去，供上层函数调用，系统需要实时检测是否有U盘连接上。当设备检测到有U盘插入时，系统会对USB设备进行枚举操作，从而知道设备具有什么功能、属于哪一类设备、要占用多少带宽、使用哪类传输方式及数据量大小，主机确定了这些信息之后，设备才能真正的正常工作。枚举通过后USB设备会触发名为OTG_FS_IRQHandler的中断，在该中断下最后会执行用户应用程序USBH_MSC_Application，在该程序下将U盘中文件拷贝到SD当中。USBH_MSC_Application，在該程序下将U盘中文件拷贝到SD当中。

5 结语

通过对作业机械上配备基于CAN总线的信息采集器，监测机车在工作中的运行状态，根据反馈信息做出判断的检测系统的研究与优化，该文得到如下的结论。

（1）首先将传感器得到数据利用STC15单片机预处理，再次利用CAN总线传输，经过两次的初始化处理提升了数据采集的可靠性。

（2）基于μC/OS?III内核的嵌入式应用，严格按照优先级的系统运算，将各传感器采集到的数据按照权重所占比例分配，优化算法，保证了计算数据的准确性。

（3）显示模块的电阻式触摸屏除了做到一模两用，更加方便快捷操作的同时，也是作为人机交换的模块参与到机车各种参数的设定与修正，提高了系统操作的准确性。

（4）USB接口的应用不仅可以方便的进行数据读写与扩展，也可以扩展产品的多功能性，延长换代周期，促进工作人员的再开发。

参考文献

[1] 王海国，魏明，靳笋.磁浮子液位计在长庆油田数字化建设中的应用[J].中国计量，2014（5）：109-110.

[2] 廉春原.基于SJA1000的CAN智能测控节点设计[J].内江科技，2014（1）：58，73.

[3] 付晨.基于Cortex-M3的农业大棚无线测控系统[D].济南：山东大学，2012.

[4] 刘智勇，陈鹏飞，宿磊，等.基于STM32芯片的U盘/SD卡文件传输技术研究[J].现代电子技术，2014（18）：107-109.