基于CAN總線的聯(lián)合收割機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：本文介紹了一種以P87C2591單片機(jī)為主控器，以谷物流量傳感器、谷物濕度傳感器、割臺高度傳感器、地速傳感器、升運器轉(zhuǎn)速傳感器、DGPS接收機(jī)、變量作業(yè)控制和智能控制終端為主要外圍元件的聯(lián)合收割機(jī)智能控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有顯示直觀、準(zhǔn)確，使用方便、可靠等優(yōu)點，代表了聯(lián)合收割機(jī)智能控制系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢。在系統(tǒng)設(shè)計過程中充分考慮了性價比，選用價格低、性能穩(wěn)定的元器件。通過運行調(diào)試，試驗結(jié)果與設(shè)計要求基本一致。
關(guān)鍵詞：CAN總線；聯(lián)合收割機(jī)；智能控制

1 系統(tǒng)組成及工作原理
    整個系統(tǒng)可以分成兩個獨立的部分：產(chǎn)量監(jiān)測子系統(tǒng)和變量作業(yè)控制子系統(tǒng)。它們分別用來實現(xiàn)產(chǎn)量監(jiān)測和變量作業(yè)控制的功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)中所有節(jié)點都是“即插即用”的，當(dāng)其與總線連接或者斷開時都可被控制終端檢測到。當(dāng)需要實現(xiàn)產(chǎn)量監(jiān)測的時候，可以把變量作業(yè)控制ECU斷開，只要在總線上連接實現(xiàn)測產(chǎn)的各傳感器ECU、DPGS以及智能控制終端即可；當(dāng)需要實現(xiàn)變量作業(yè)控制的功能時，可以斷開系統(tǒng)中不需要用到的傳感器ECU，連接上變量作業(yè)控制ECU以及地速傳感器ECU即可。在兩個子系統(tǒng)中，智能控制終端都必須連接在總線上，它監(jiān)視著各節(jié)點的狀態(tài)并且監(jiān)控系統(tǒng)的運行，USBCAN-II是系統(tǒng)的一個附加節(jié)點，它是周立功發(fā)展有限公司生產(chǎn)的一種CAN-bus智能轉(zhuǎn)換卡，通過USB電纜與PC連接，就可以在PC機(jī)上實時觀察CAN總線上的所有報文，并進(jìn)行CAN-bus網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析和處理，有利于系統(tǒng)的調(diào)試和實驗分析。

2 硬件構(gòu)成
    本系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：集成有CAN控制器的增強型P87C591單片機(jī)主控模塊、電源模塊、傳感器模塊、人機(jī)交互接口模塊、U盤文件讀寫模塊等。其中P87C591微處理器負(fù)責(zé)接收和處理總線上各傳感器采集到的數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，還負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令等數(shù)據(jù)給總線上的其他節(jié)點；傳感器完成信號的采樣功能，微處理器通過U盤文件讀寫模塊與U盤相連，用于存儲產(chǎn)量和其他傳感器，并且讀取存儲在U盤內(nèi)的作物管理、變量作業(yè)處方圖文件；通過RS232通用串行接口，微處理器和液晶顯示器及觸摸屏相連，實現(xiàn)人機(jī)交互的功能。
2．1 主控模塊選型
    系統(tǒng)采用Philips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的集成有CAN控制器的增強型P87C591，它是一個8位高性能微處理器，44引腳，除了具有51系列微處理器的通用功能和片內(nèi)CAN控制器外，還集成有6路模擬輸入的10位ADC，并可選擇快速8位ADC，2個8位分辨率的脈寬調(diào)制輸出(PWM)，帶字節(jié)方式主、從功能的I2C總線串行I／O口，以及片內(nèi)看門狗定時器T3。此外，它還具有4個中斷優(yōu)先級，15個中斷源。P87C59l微處理器采用了強大的80C5l指令集，并包括Philips半導(dǎo)體SJAl000獨立CAN控制器的PeliCAN功能。
2．2 電源模塊設(shè)計
    電源模塊提供系統(tǒng)正常運行所必需的電源，其電路如圖2所示。采用了12V轉(zhuǎn)5V的DC-DC模塊，輸入端電源來自聯(lián)合收割機(jī)的車載蓄電池，通過CAN總線電纜的電源線和地線接入控制終端，并能提供2A的負(fù)載電流。

2．3 存儲器擴(kuò)展模塊設(shè)計
    本系統(tǒng)采用32k×8位的靜態(tài)RAM-HY62256數(shù)據(jù)存儲器和164k×8位的可電擦寫的E2PROM-W27C512程序存儲器，通過地址總線和數(shù)據(jù)總線與CPU連接，RAM和ROM的地址總線是獨立的，他們可以使用相同的地址空間。數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的擴(kuò)展電路圖如圖3所示。

2．4 U盤文件讀寫模塊接口設(shè)計
    本系統(tǒng)采用南京沁恒電子有限公司生產(chǎn)的CH375HM的U盤作為存儲器，它具有攜帶方便、存儲量大、掉電不容易丟失、即插即用等特點。單片機(jī)通過此芯片讀寫U盤內(nèi)的數(shù)據(jù)，單片機(jī)系統(tǒng)與U盤文件讀寫模塊之間的電路連接選用并口連接、INTO#中斷通知模式。其接口電路如圖4所示。74LSl38的第10腳作為其片選信號CS0，U盤文件讀寫模塊的第13引腳STA是啟動信號的輸入端，它與CPU的第7引腳P1．5相連，CPU通過此引腳通知U盤文件讀寫模塊讀寫命令的開始，模塊的第9引腳INT0為中端請求輸出端，它連接到CPU的第14引腳上(INT0／P3．2)，通知CPU相應(yīng)讀寫命令的完成。

2．5 BAN總線接口電路設(shè)計
    P87C591集成了片內(nèi)CAN控制器，系統(tǒng)不再需要擴(kuò)展獨立的CAN控制器來實現(xiàn)CAN通信，從而簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，節(jié)省了資源。其接口原理圖如圖5所示。

2．6 傳感器的選型
2．6．1 谷物流量傳感器
    谷物流量傳感器是產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)中最主要的傳感器，它可以在設(shè)定的時間間隔內(nèi)(或機(jī)器對應(yīng)行程間距內(nèi))自動計量累計產(chǎn)量，再換算為對應(yīng)時間間隔內(nèi)作業(yè)面積的單位面積產(chǎn)量。此外，為了提高測產(chǎn)的精度，對于具體的農(nóng)田通過不同的標(biāo)定，計算標(biāo)定系數(shù)，對產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。目前應(yīng)用的谷物流量傳感器主要有四種類型：沖擊式流量傳感器、丫射線式流量傳感器、光電式容積流量傳感器以及刮板輪式容積流量傳感器，本系統(tǒng)采用的是沖擊式流量傳感器。
2．6．2 谷物濕度傳感器
    谷物濕度傳感器是獲取收獲時谷物的濕度，以便將所有的產(chǎn)量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)值。在聯(lián)合收割機(jī)上使用的谷物濕度傳感器，主要按照極板式電容傳感器原理設(shè)計。
2．6．3 割臺高度傳感器
    割臺高度用來指示當(dāng)前收割機(jī)是處于收割狀態(tài)還是抬起狀態(tài)，它的測量可以通過電位器(或接觸開關(guān))來實現(xiàn)。
2．6．4 地速的測量
    地速可利用傳統(tǒng)的雷達(dá)法、變速箱軸轉(zhuǎn)速法以及GPS來測量，這些方法都有各自的局限性，將這幾種方法互補使用，將是理想的測量方法。
2．6．5 轉(zhuǎn)速的測量
    轉(zhuǎn)速有光電脈沖法(包括精密的光電編碼器)、霍爾元件法等很多成熟技術(shù)可供選用。
2．6．6 割幅寬度的測量
    割幅寬度可以使用超聲波進(jìn)行測量。
2．7 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計
2．7．1 系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計
    (1)濾波技術(shù)
    a．將電源變壓器的進(jìn)線段加入濾波器，以削弱瞬變噪聲干擾。
    b．在直流電源線和地線之間接濾波電容，以抑制電源噪聲。
    (2)去耦電路
    在印刷電路板的各個集成電路的電源線端與地線端之間配置去耦電容。
    (3)屏蔽技術(shù)
    屏蔽技術(shù)主要由電場屏蔽、電磁場屏蔽和磁場屏蔽三類，本系統(tǒng)采用電場和電磁場屏蔽的方法。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料，把需要隔離的部分保衛(wèi)起來。磁場屏蔽則應(yīng)采用高導(dǎo)磁率的材料。
    (4)光電隔離
    在I／O通道上采用光電隔離器，將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)從電氣上隔離開來，很大一部分干擾可被擋。
2．7．2 系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計
    對于微機(jī)測控系統(tǒng)，僅僅考慮硬件的抗干擾是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，采取一定的軟件抗干擾措施非常必要，它不僅能降低系統(tǒng)的硬件成本，又可以充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，使系統(tǒng)具有自我診斷、自我恢復(fù)的能力。本系統(tǒng)采用的軟件抗干擾措施主要有以下幾種：
    (1)數(shù)字濾波技術(shù)，采用數(shù)字濾波技術(shù)除去輸入信號中所摻雜的各種隨機(jī)干擾。
    (2)軟件陷阱技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾，PC值發(fā)生變化，程序“亂飛”等情況，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標(biāo)志，在每次程序復(fù)位時，通過這些標(biāo)志，可以判斷復(fù)位原因并根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使程序運行有連續(xù)性，用戶在使用時也不易察覺到程序被重新復(fù)位過。

3 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)軟件主要由CAN總線通信、數(shù)據(jù)實時處理、LCD顯示子程序、觸摸屏控制數(shù)據(jù)存儲和變量作業(yè)處方圖文件讀取等六大模塊組成，因為C語言編寫的軟件易于實現(xiàn)模塊化，生成的機(jī)器代碼質(zhì)量高、可讀性強、移植性好，所以本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，在WAVE6000編譯器環(huán)境下編寫代碼和調(diào)試。
    主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能，主程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語
    隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能溫室控制必將成為一種發(fā)展趨勢，文中提出利用P87C591單片機(jī)和新型傳感器對聯(lián)合收割機(jī)環(huán)境進(jìn)行測試，目前原型機(jī)己取得成功。調(diào)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可靠性高、使用方便，下一步將在此基礎(chǔ)上開發(fā)控制系統(tǒng)，給用戶提供更大的方便。