拖拉机CAN总线车载智能终端技术研究

王新忠，王 熙，王少农，庄卫东

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)



拖拉机CAN总线车载智能终端技术研究

王新忠，王 熙，王少农，庄卫东

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

为了将智能车载终端应用于大型拖拉机上，对拖拉机CAN总线车载智能终端技术进行了研究。该车载智能终端系统由农机CAN总线数据解析器及车载计算机等组成。农机CAN总线数据解析器根据ISO11783 农机CAN总线协议，对拖拉机作业产生的CAN数据进行解析，并使用VB6.0软件编写了车载计算机应用程序。该程序能够对解析后的CAN数据进行处理、存储、传输和显示。车载智能终端具有拖拉机作业参数实时监测、作业轨迹显示、虚拟仪表等功能，能够辅助驾驶操作和精准管理。

拖拉机；CAN总线；智能终端；作业监测

0 引言

现代化大型拖拉机安装有CAN总线系统，并有与之配套的车载智能终端，实时监测拖拉机的运行状态，方便对其进行管理和操作。

笔者设计了一种基于CAN总线的拖拉机车载智能终端，可以用于大型拖拉机作业监测。车载智能终端集车载计算机、网络通信、软件编程等技术为一体，通过对软件和硬件的配置，超越传统农机仪表的功能，具有图形及数字混合显示、虚拟仪表及操作方便等特点。

20世纪80年代,德国博世(BOSCH)公司为实现车辆电子设备之间数据通信互联而开发了一种串行数据通信总线，即CAN(Controller Area Network)。因为CAN的拓扑结构在ISO有关标准中为总线式，所以称之为CAN总线[1]。

随着农机信息化和智能化水平的不断提升，其数据通信协议标准化程度越来越高，以减少互联成本和增加产品的适用性。ISO 11783农机CAN总线是大型农机与农机具之间进行通信与管理的国际标准总线接口。其目的是要实现不同国家和不同品牌的农业机械之间的兼容性和标准化，使其能够使用相同的标准总线协议。例如，起垄播种作业时需要同时使用卫星导航自动驾驶系统和播种监控系统，这可能需要两个显示终端进行操作。拖拉机CAN总线车载智能终端提供了一个统一的作业数据通信及监控管理平台，不再需要为每一个农机具配备不同的控制终端，只需一个单独的拖拉机CAN总线车载智能终端，即可实现同时对不同的农机具进行监视和控制[2]。

拖拉机CAN总线车载智能终端(见图1)还可以实现使用一个智能终端对不同品牌的农机具进行监视、操作、控制和设置。这意味着可以使用ISO-11783 BUS通用连接设备，实现“即插即用”，而无需为拖拉机准备多个协议插头和转换器。因此，拖拉机CAN总线车载智能终端特别适用于使用不同国家、不同品牌的农机具进行整地、起垄、播种、中耕、喷施和收获作业，为实现农机信息标准化提供了技术装备基础，也为农机作业管理提供了便利条件[3]。

图1 拖拉机CAN总线车载智能终端

1 国内外主要农机智能终端

1.1 国外主要农机智能终端

目前，国际上农机CAN总线智能终端主要为美国约翰迪尔(John Deere)公司的GreenStar系列智能终端、美国凯斯(CASE)公司AFS系列智能终端和格兰(Kverneland)公司的ISO Match Tellus系列智能终端。

1)美国约翰迪尔公司智能终端。美国约翰迪尔公司Green Star系列CAN总线车载智能终端可以过AEF(ISO BUS农业生产电子基金会)的授权，使用ISO Task Control功能控制第三方机具。其具有视频监控功能，能够通过摄像头在驾驶室内对农机具作业情况进行视频监控，也可以通过远程无线网络监控，随时了解农机作业状态。

2)美国凯斯公司智能终端。美国凯斯公司AFS系列智能终端能够通过其特有的AFS监控接口兼容绝大多数品牌的具有CAN总线接口的农机具。农机作业人员可以利用智能终端中的AFS软件地理信息功能，对作业地块进行进一步的了解，使其可以根据作业地块实际情况对农机具进行设定，从而达到精确作业的目的。

3)挪威格兰公司智能终端。挪威格兰公司ISO Match Tellus车载CAN总线智能终端能够同时连接两个ISO-11783 CAN BUS接口，可同时对两个接口的数据进行解析。其中，一个CAN接口可以对非格兰品牌拖拉机ECU数据进行解析，另一个CAN接口可以连接格兰GPS接收机或其他品牌的GPS接收机。

1.2 国内农机智能终端

1)司南公司农机智能终端。司南公司农机智能终端用于卫星导航自动驾驶，是集用户界面显示、作业数据显示、作业模式调整等功能于一体的综合性农机智能终端。该终端能够自动计算作业面积，可进行田块资料储存，便于随时查阅，不必每年规划行走作业路线，为各个环节的农机作业如翻地、耙地、旋耕、起垄、播种、喷药、收获等提供卫星导航帮助。

2)中海达公司农机智能终端。中海达公司农机智能终端采用一体化设计。内置北斗卫星导航定位系统，采用其独有的Smart Heading等多项专利技术，导航定位精度为2cm，标配8英寸高亮液晶触摸屏，实现对农机驾驶数据的显示和农机驾驶的操控；采用工业级三防设计，可在严酷环境下使用。

2 车载智能终端总体设计

针对黑龙江垦区广泛使用进口大型拖拉机进行大规模现代化农机生产作业的情况，黑龙江八一农垦大学精准农业技术研究中心研制了拖拉机CAN总线车载智能终端，主要应用在具有CAN总线接口的进口大型拖拉机上。

拖拉机CAN总线系统及车载智能终端在拖拉机中的布置如图2所示。拖拉机内部的发动机ECU、变速箱ECU及后悬挂ECU组成的CAN总线网络，采集拖拉机作业CAN总线数据，通过农机CAN总线数据解析器对CAN数据进行筛选和解析；通过RS-232串口通信接口传输到车载计算机中，同时作业数据可以在车载计算机中进行存储，或者通过远程无线传输模块传输到互联网服务器数据库中。其可以处理、分析作业数据，并显示、打印所需的曲线或报表，使其应用性大为提高[4]。

1.车载计算机 2.农机CAN总线网桥 3.发动机ECU 4.变速箱ECU 5.后悬挂ECU

车载计算机作为拖拉机CAN总线智能终端中的控制和显示终端，主要拥有以下功能：

1)作业数据通信。车载计算机通过RS-232接口与CAN总线数据解析器相连，CAN总线数据解析器通过ISO-CAN BUS接口与拖拉机内部CAN总线进行数据通信。

2)作业数据处理和显示。车载计算机内的软件对接收到的作业数据进行处理，并通过液晶触控显示器对拖拉机作业数据进行显示，使其显示更加直观、简洁，方便操作人员对农机作业情况的了解。

3 车载智能终端硬件

拖拉机CAN总线车载智能终端硬件部分主要分为上位机(车载计算机)和下位机(以单片计算机为核心的CAN总线数据解析器)。车载计算机负责作业数据处理与显示，CAN总线数据解析器负责CAN数据的采集、筛选及解析，如图3所示。

为了采集和解析拖拉机CAN总线数据信息，黑龙江八一农垦大学精准农业技术研究中心研制了CAN总线数据解析器，用于采集、筛选及解析拖拉机CAN总线数据。

图3 拖拉机CAN总线车载智能终端系统框图

3.1 CAN总线数据解析器

CAN总线数据解析器主要由CAN数据提取电路、CAN数据解析电路、RS-232串口数据转换电路、看门狗及复位电路及稳压电路等组成，如图4所示。

SJA1000芯片用于拖拉机CAN总线数据采集，拖拉机CAN总线数据通过SJA1000芯片传送到单片计算机进行数据采集[5]。

图4 农机CAN总线数据解析器

STC89C52RC单片机为农机CAN总线数据解析器核心，具有低功耗、高性能及成本低廉的特点，可采用Keil C软件进行编程等。

单片计算机对采集到的CAN数据根据ISO 11783农机CAN总线协议，进行相应的ID筛选，得到发动机转速、发动机油耗、发动机负荷、发动机工作小时数、经纬度、高程、拖拉机悬挂位置、当前日前及时间等信息数据帧，并按照协议进行具体实际参数值的解析，从而得到拖拉机作业时各具体参数值；然后，通过RS-232串口输出到车载计算机中[6]。

3.2 车载计算机

车载计算机是拖拉机CAN总线智能终端系统中的处理、显示及操作部分，集处理、存储、显示、输入输出等功能于一体，可以方便、快捷地对拖拉机CAN总线数据进行处理和显示。

选用台湾新汉公司VMC1000型车载计算机，如图5所示。该机采用一体机设计，7英寸LED背光液晶触控屏幕，安装有Win XP操作系统，紧凑无风扇设计,铝合金外壳，采用1.0GHz Intel®AtomTME640处理器,1GB内存,宽电压6～36V直流电源输入。

图5 台湾新汉公司VMC1000型车载计算机

VMC1000型车载计算机采用铝合金外壳，比较坚固，不容易被损坏；采用全封闭结构，具有良好的“三防”(防水、防潮、防尘)性能，适合在恶劣的作业环境中使用。

因为VMC1000型车载计算机只有RS-232接口，没有CAN总线接口，无法直接接受CAN数据，所以需要CAN总线数据解析器进行采集、筛选和解析后通过RS-232串口传输到车载计算机中。

4 车载智能终端软件

拖拉机CAN总车载线智能终端中的VMC1000型车载计算机使用Win XP操作系统，因此车载计算机使用了VB6.0软件进行程序设计。VB6.0软件是一款简单、易用的可视化软件开发平台，主要由初始化主程序模块、作业数据处理显示存储程序模块及虚拟仪表显示程序模块等成[7]。

4.1 作业数据处理显示存储程序模块

车载计算机通过作业数据处理显示存储程序模块，对拖拉机作业数据进行处理显示和存储，程序流程框图如图6所示。作业数据处理显示和存储包括串行数据串数据提取、经纬度坐标转换、作业数据显示、作业轨迹显示及作业数据存储等。

利用VB6.0软件提供的MSComm通信控件编写RS232串口通信程序,完成了上位机(车载计算机)与下位机(以单片计算机为核心的CAN总线数据解析器)之间的RS-232串行口通信[8]。

图6 车载计算机程序流程框图

软件界面中的RS-232数据接收区可显示通过CAN总线数据解析器转换后的作业数据，可显示拖拉机作业时的日期、时间、经纬度、高程、发动机油耗及发动机转速等实际作业数据。这些数据还可以通过远程无线传输模块传送到主控制中心进行同步大屏幕显示，方便管理者进行远程管理。

现代大型拖拉机上安装有GPS接收机，GPS接收机具有CAN总线接口，因此CAN总线中有经度、纬度、高程、当前日期及时间等信息；通过软件对以上信息进行处理，不仅能对拖拉机进行导航定位，还能够根据经纬度信息绘制出拖拉机作业行走轨迹图，如图7所示。该轨迹图能够实时显示作业轨迹，同时根据作业地块面积大小进行实时缩放调整，能够更好地辅助驾驶员进行作业。

图7 作业数据及作业轨迹显示

4.2 虚拟仪表显示程序模块

为了将拖拉机作业时的油耗、转速等数据的显示更加直观、简便、易于理解，本系统使用VB6.0软件设计了基于车载计算机的虚拟仪表显示程序模块。虚拟仪表具有智能化程度高、成本低、操作简单等优点，设计者可以根据实际应用需求对虚拟仪表进行设计与集成。

首先在VB6.0源程序中添加ActiveX控件，并根据拖拉机仪表盘的外形及量程对其进行修改；然后，在代码编辑窗口中输入程序代码完成虚拟仪表指针转动角度的设计。车载计算机中运行的虚拟仪表如图8所示。

图8 虚拟仪表

5 车载智能终端测试试验

为了验证拖拉机CAN总线车载智能终端的实际使用效果，对其进行了测试试验，如图9所示。

图9 车载智能终端测试试验

使用农机CAN总线数据记录回放仪播放2015年6月黑龙江省荣军农场约翰迪尔7830型拖拉机作业时所记录的CAN总线数据信号，向CAN总线数据解析器发送约翰迪尔7830型拖拉机作业CAN总线数据。CAN总线数据解析器根据的CAN数据ID编号判别其发送优先级,按照优先级从高到低的顺序进行采集、筛选和解析；然后将解析后的数据发送给车载计算机,车载计算机接收来自CAN总线数据解析器串口的信息,在车载计算机液晶显示器上显示出来[9]。

测试表明：该智能终端具有良好的人机交互界面，运行稳定，性能可靠，较好地解决了车载计算机与拖拉机CAN总线实时通讯问题，实现了拖拉机CAN总线车载智能终端对拖拉机作业运行状态的实时监控[10]。

6 结论

1)针对车载计算机与拖拉机CAN总线通讯的问题，设计出了基于STC89C52RC单片机的CAN总线数据采集解析器，实现了对拖拉机作业的实时监控，完成了对拖拉机作业实时CAN总线数据采集、筛选、解析等。

2)开发了基于车载计算机的应用软件，利用VB6.0软件可视化编程和串口链接功能，编写具有RS-232数据通信、数据处理、数据和作业轨迹显示、数据存储、虚拟仪表等功能的软件。

[1] 崔巍.基于CAN总线技术的智能汽车系统的设计[J].装备制造技术,2012(8):263-265.

[2] 张飞，赵剡水.基于ISO11783标准的农业车辆CAN总线通讯原理与应用[J].河南科技大学学报:自然科学版，2008(1):39 -42．

[3] 鲁植雄，王文伟，袁越阳.基于CAN总线的拖拉机虚拟仪表系统设计[J].农业装备与车辆工程,2010(2):3-6.

[4] 纪朝凤，刘刚，周建军，等.基于CAN总线的农业车辆自动导航控制系统[J].农业机械学报,2009(S1):28-32.

[5] 刘传茂，王熙.基于CAN总线的拖拉机作业数据解析[J].农机化研究,2015,37(10):254-257.

[6] 李俐，谢显中.基于CAN总线的行车记录仪设计[J].计算机工程与设计,2009(22):5120-5123.

[7] 王少农，王熙.农业机械远程监控管理信息系统研究[J].农机化研究,2015,37(6):264-268.

[8] 周庆贵.基于VB编程环境数据采集系统的设计[J].测控技术,2008(4):62-64.

[9] 田辉辉，王熙．基于CAN总线的农业温度监测系统设计[J].农机化研究,2013,35(6):174-178.

[10] 田辉辉,王熙,林二东.CAN总线在大豆精播机播种监测系统中的应用[J].农机化研究,2015,37(1):223-227.

Research on the Technology of CAN Bus on Vehicle Intelligence Terminal for Tractor

Wang Xinzhong, Wang Xi, Wang Shaonong, Zhuang Weidong

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

In order to apply intelligent vehicle terminal to the heavy tractor, the intelligent terminal technology of CAN bus is studied.The vehicle intelligent terminal system is composed of a CAN bus data parser,a vehicle mounted computer, and the like. Agricultural machinery can bus data parser based on iso11783 agricultural can bus protocol, on tractor can data analysis, and uses VB6.0 software to compile the on-board computer application program, the program can and processing, storage, transmission and display of can parse the data. The vehicle intelligent terminal has the function of real-time monitoring, working track display,virtual instrument and so on,which can carry on the assistant driving operation and the precision management.

tractor; CAN bus; intelligent terminal; operation monitoring

2016-01-22

“十二五”国家高技术研究发展计划项目(2013AA040401)；黑龙江省大庆市项目(szdfy-2015-28)

王新忠(1963-)，女，河北玉田人，教授，(E-mail)ndwxz@126.com。

S219.033

A

1003-188X(2017)02-0210-05