基于CAN總線的溫室大棚微耕機導(dǎo)航分布式控制系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計

摘要：為了提高設(shè)施大棚機械化作業(yè)的效率和精度，提出基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）

總線的自主導(dǎo)航分布式控制結(jié)構(gòu)并進(jìn)行節(jié)點的設(shè)計。系統(tǒng)采用主-從分布式控制結(jié)構(gòu)，以嵌入式控制器作為主控節(jié)點采集GPS數(shù)據(jù)和電子羅盤數(shù)據(jù)，從而決策適當(dāng)?shù)目刂浦噶?；以單片機控制作為功能節(jié)點，實現(xiàn)對微耕機的轉(zhuǎn)向、變速和升降機具的控制?；贗SO11783標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了導(dǎo)航系統(tǒng)CAN通信協(xié)議，系統(tǒng)通訊測試結(jié)果表明，該通訊系統(tǒng)能夠滿足基本功能要求且工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：分布式控制；自動導(dǎo)航；CAN總線；溫室大棚；微耕機；ISO11783標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號： S237；TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0365-03

收稿日期：2013-12-09

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（13）5065]。

作者簡介：陶建平（1983—），男，江蘇南京人，碩士，助理研究員，主要從事智能農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備的研究工作。E-mail：taojianping2009@gmail.com。設(shè)施農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展已經(jīng)不僅僅是簡單替代體力勞動的機械的發(fā)展，而更多的是向著智能化、精細(xì)化、集約化方向發(fā)展。溫室大棚微型機械自動導(dǎo)航是精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1-2]，自動導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用可以減少重復(fù)作業(yè)，從而降低成本，減輕駕駛?cè)藛T的工作負(fù)荷[3]。近些年來，國內(nèi)外針對大田農(nóng)業(yè)車輛自動導(dǎo)航的技術(shù)研究較多，而與大田相比，溫室大棚內(nèi)工作環(huán)境更為惡劣，因而為了降低工作人員的勞動強度，自動導(dǎo)航技術(shù)的使用具有更重要的意義。

現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)[4]。在農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）

總線技術(shù)，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)組成的重要方面。由于計算機技術(shù)、電子通信技術(shù)和控制技術(shù)在導(dǎo)航中的普遍應(yīng)用，對傳感器、控制單元和處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸提出了新的要求，使得CAN總線在農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航系統(tǒng)中得到應(yīng)用[5]。將工控機或個人計算機用于農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航控制系統(tǒng)，雖然在數(shù)據(jù)處理性能上具有優(yōu)勢，但是由于體積大、功耗大等問題，給安裝帶來了很多困難[6]。因此，嵌入式ARM處理器以其獨特的優(yōu)勢（處理速度快、體積小、低功耗等特點）而獲得了廣泛的應(yīng)用[7]。

本研究設(shè)計基于CAN總線的嵌入式ARM和單片機分布式控制網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由1個主控節(jié)點和3個從節(jié)點組成。主控節(jié)點采用S3C6410芯片ARM11處理器，負(fù)責(zé)根據(jù)RTK GPS數(shù)據(jù)和電子羅盤數(shù)據(jù)決策適當(dāng)?shù)目刂浦噶睿?個從節(jié)點選用P87C591單片機，分別實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制、變速控制以及微耕機升降機具的控制；根據(jù)CAN2.0總線協(xié)議制定數(shù)據(jù)通信協(xié)議，從而可為溫室環(huán)境下農(nóng)業(yè)機械的導(dǎo)航研究提供試驗平臺。

1自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)CAN總線節(jié)點的設(shè)計

主控節(jié)點獲取來自GPS和電子羅盤的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)事先定義好的路徑以及各功能節(jié)點傳感器反饋的信息，通過導(dǎo)航算法計算出當(dāng)前微耕機的航向偏差和橫向偏差，再通過控制算法計算車輛的轉(zhuǎn)角，最后由主控節(jié)點統(tǒng)一發(fā)送命令給各功能節(jié)點，各功能節(jié)點執(zhí)行機構(gòu)按要求完成相應(yīng)動作，從而實現(xiàn)微耕機控制和自動導(dǎo)航。

1.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由主控制器節(jié)點以及3個功能節(jié)點組成，詳見圖1。電子羅盤（Honeywell HMR3200）、GPS接收器（Trimble 5800）和ARM11（S3C6410）處理器組成導(dǎo)航系統(tǒng)的主控節(jié)點，并以ARM11為主控制器的主控制節(jié)點負(fù)責(zé)處理電子羅盤、GPS信息并根據(jù)當(dāng)前的車輪轉(zhuǎn)角、速度和微耕機具升降信息做出控制決策；功能節(jié)點由轉(zhuǎn)向節(jié)點、變速節(jié)點、升降節(jié)點組成，以單片機為主控制器，實現(xiàn)各功能節(jié)點傳感器信息的采集并接受主節(jié)點的命令，驅(qū)動直流電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、變速和微耕機具升降控制。

1.2主控制器節(jié)點設(shè)計

1.2.1硬件設(shè)計主控制器節(jié)點采用三星公司的ARM11處理器S3C6410芯片，擁有強大的內(nèi)部資源和數(shù)據(jù)處理能力，可穩(wěn)定運行在667MHz主頻以上，由于S3C6410本身并不帶有CAN接口，因此可通過其一路SPI接口連接MCP2510擴展實現(xiàn)CAN總線接口。MCP2510是一種帶有SPI接口的CAN控制器，它支持CAN技術(shù)規(guī)范V2.OA/B，能夠發(fā)送或接收標(biāo)準(zhǔn)的和擴展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能，通過SPI接口與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最高傳輸速率可達(dá) 5 Mb/s。這些特點使得主控芯片對CAN總線的操作變得非常簡便。

選用帶屏蔽雙絞線作為CAN總線通信介質(zhì)，屏蔽網(wǎng)接地。其中轉(zhuǎn)向控制節(jié)點和微耕機具升降控制節(jié)點上各接有1個120Ω電阻，作為CAN線路的匹配電阻，以減少噪聲、避免振蕩、防止過沖。在各功能節(jié)點串聯(lián)應(yīng)用的情況下，串聯(lián)的終端電阻和信號線的分布電容以及后級電路的輸入電容組成RC濾波器，以消弱信號邊沿的陡峭程度，防止過沖。

1.2.2主控制器節(jié)點的功能及實現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)主控制器節(jié)點通過采集GPS和電子羅盤等導(dǎo)航數(shù)據(jù)決策當(dāng)前跟蹤的路徑，計算出微耕機的轉(zhuǎn)向、速度控制量并根據(jù)設(shè)定控制耕作機升降機具，將控制命令通過CAN總線發(fā)送至功能節(jié)點，功能節(jié)點接收主控節(jié)點的命令，反饋當(dāng)前狀態(tài)信息并實時保存相關(guān)數(shù)據(jù)。主控制器控制流程如圖2所示，程序首先獲取GPS、電子羅盤和角度傳感器數(shù)據(jù)，再計算出橫向偏差和航向偏差。轉(zhuǎn)向控制采用模糊控制的方法[8]，根據(jù)橫向偏差E和航向偏差φ的大小和方向來進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，橫向偏差、航向偏差是模糊控制器的輸入，輸出為前輪期望轉(zhuǎn)角U，模糊控制可以近似為：

U=-<αE+（1-α）φ> （α∈[0，1]）。

式中：α為調(diào)整因子；E為位置偏差；φ為航向偏差；“<>”表示取最小整數(shù)。endprint

通過調(diào)整α的值，可以改變位置偏差E和航向偏差φ的加權(quán)程度。通過模糊控制可以得到轉(zhuǎn)動控制量，組織數(shù)據(jù)幀發(fā)送到功能節(jié)點控制器。

主控制節(jié)點程序主要包括1個主函數(shù)和1個CAN數(shù)據(jù)接收中斷函數(shù)。程序中使用1個標(biāo)志來記錄當(dāng)前CAN總線有沒有接收到數(shù)據(jù)。主程序完成初始化后，每次中斷服務(wù)程序均讀取導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)，隨后判斷控制量刷新周期是否已到，若未到則結(jié)束，否則進(jìn)行控制量計算，刷新控制量輸出并保存當(dāng)前相關(guān)數(shù)據(jù)，程序流程如圖3所示。

1.3功能節(jié)點設(shè)計

功能節(jié)點包括轉(zhuǎn)向控制節(jié)點、變速控制節(jié)點和耕作機具升降控制節(jié)點，圖4是功能節(jié)點控制硬件原理圖，可以看出，該點節(jié)主要由MCU、收發(fā)器TJA1050和電壓轉(zhuǎn)換電路組成。

MCU選用1個單片8位高性能微控制器P87C591，具有片內(nèi)CAN控制器。高速光電耦合器采用6N137，這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各節(jié)點的電氣隔離。為了提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性，總線的兩端接有2個120 Ω的匹配電阻。TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器。TJA1050可以為總線提供差動發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動接收性能。

在功能節(jié)點的設(shè)計中，TJA1050主要采取中斷模式進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。整個系統(tǒng)主程序提供2種中斷：定時器中斷和外部中斷。定時器中斷的中斷子程序主要負(fù)責(zé)處理來自模擬通道的數(shù)據(jù)，向TJA1050發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請求命令并發(fā)送數(shù)據(jù)；外部中斷的中斷處理子程序主要包括CAN總線錯誤處理子程序和數(shù)據(jù)接收子程序。

2基于IOS 11783的CAN協(xié)議設(shè)計

2.1IOS 11783的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

ISO 11783是一種農(nóng)林業(yè)機械專用的總線標(biāo)準(zhǔn)。ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)參照SAE J1939和DIN 9684標(biāo)準(zhǔn)，以控制局域網(wǎng)總線協(xié)議，即CAN 2.0B作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，規(guī)定了CAN總線在農(nóng)機上應(yīng)用的高層協(xié)議[9]。ISO 11783可分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，并采取定義地址的手段防止多個控制器使用相同的CAN標(biāo)志符。ISO 11783采用協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU來定義信息幀格式，在傳輸過程中，先將PDU分隔成一個或多個CAN數(shù)據(jù)幀，然后通過物理介質(zhì)傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)掛接設(shè)備上。ISO 11783PDU數(shù)據(jù)格式由7個部分構(gòu)成：優(yōu)先權(quán)（priority，P）、保留位（reserved，R）、數(shù)據(jù)頁（data page，DP）、PDU格式（PDU format，PF）、特定PDU（目標(biāo)地址、組擴展或?qū)Ｓ茫?、源地址（SA）和數(shù)據(jù)域。按照標(biāo)準(zhǔn)主控節(jié)點及3個功能節(jié)點的源地址分配見表1。

根據(jù)CAN協(xié)議的仲裁機制，報文ID號越小的節(jié)點具有越高的優(yōu)先權(quán)，當(dāng)功能節(jié)點同時發(fā)送反饋信息時，優(yōu)先級高的先發(fā)送，其他節(jié)點退出總線[10]。因此，各功能節(jié)點優(yōu)先級順序由高到低依次為：轉(zhuǎn)向控制節(jié)點、變速控制節(jié)點、微耕機具升降控制節(jié)點。

2.2應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計

系統(tǒng)采用單幀格式，每幀有8個字節(jié)，詳見表2。

表2應(yīng)用層協(xié)議

字節(jié)含義1命令2方向3速度4升降5保留6保留7保留8保留

每一幀包含轉(zhuǎn)向、速度和升降參數(shù)命令，其中轉(zhuǎn)向控制節(jié)點使用前需要進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)主控制節(jié)點發(fā)送的命令執(zhí)行不同操作。

3結(jié)果與分析

分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)綜合性能不僅與控制器的設(shè)計有關(guān)，還與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）緊密相關(guān)[11]。在控制系統(tǒng)中，采樣周期和網(wǎng)絡(luò)延遲對控制系統(tǒng)性能有較大影響，本試驗中將網(wǎng)絡(luò)傳輸時延作為主要的測試指標(biāo)。CAN通信中總線有顯式或者隱式2種狀態(tài)?？偩€上有1個節(jié)點輸出的為顯式狀態(tài)，總線上所有節(jié)點均輸出的為隱式狀態(tài)。導(dǎo)航控制系統(tǒng)采用ISO 11783通信協(xié)議，依據(jù)ISO 11783規(guī)定，每個消息幀的PDU設(shè)定了發(fā)送節(jié)點唯一的標(biāo)識符和優(yōu)先級，這樣在傳輸過程中，具有較高優(yōu)先級的信息幀贏得仲裁，而較低優(yōu)先級的信息幀改為只聽模式，等待總線空閑再嘗試發(fā)送。

總線上一條報文從生成到目的節(jié)點接收到的總時間包括數(shù)據(jù)生成延遲、仲裁延遲、傳輸延遲、接收數(shù)據(jù)延遲以及功能節(jié)點中光耦6N137的延遲。經(jīng)過8 h連續(xù)測試，取各節(jié)點樣本最小延遲時間Dn、最大延遲時間Dm和平均延遲時間Da作為測試指標(biāo)，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯骺毓?jié)點和各功能節(jié)點的反應(yīng)時間都在2 ms左右內(nèi)，滿足實時性要求。

4結(jié)論

針對溫室大棚的微型耕作機導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了基于CAN

總線的節(jié)點設(shè)計，控制系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，以ARM11處理器S3C6410芯片作為主控制器節(jié)點，選用P87C591芯片作為功能節(jié)點，基于CAN總線對各節(jié)點進(jìn)行了軟件和硬件的設(shè)計，并基于ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了導(dǎo)航系統(tǒng)通信協(xié)議。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能測試表明，導(dǎo)航系統(tǒng)通信能夠滿足實時性要求且工作穩(wěn)定可靠，從而為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

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通過調(diào)整α的值，可以改變位置偏差E和航向偏差φ的加權(quán)程度。通過模糊控制可以得到轉(zhuǎn)動控制量，組織數(shù)據(jù)幀發(fā)送到功能節(jié)點控制器。

主控制節(jié)點程序主要包括1個主函數(shù)和1個CAN數(shù)據(jù)接收中斷函數(shù)。程序中使用1個標(biāo)志來記錄當(dāng)前CAN總線有沒有接收到數(shù)據(jù)。主程序完成初始化后，每次中斷服務(wù)程序均讀取導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)，隨后判斷控制量刷新周期是否已到，若未到則結(jié)束，否則進(jìn)行控制量計算，刷新控制量輸出并保存當(dāng)前相關(guān)數(shù)據(jù)，程序流程如圖3所示。

1.3功能節(jié)點設(shè)計

功能節(jié)點包括轉(zhuǎn)向控制節(jié)點、變速控制節(jié)點和耕作機具升降控制節(jié)點，圖4是功能節(jié)點控制硬件原理圖，可以看出，該點節(jié)主要由MCU、收發(fā)器TJA1050和電壓轉(zhuǎn)換電路組成。

MCU選用1個單片8位高性能微控制器P87C591，具有片內(nèi)CAN控制器。高速光電耦合器采用6N137，這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各節(jié)點的電氣隔離。為了提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性，總線的兩端接有2個120 Ω的匹配電阻。TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器。TJA1050可以為總線提供差動發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動接收性能。

在功能節(jié)點的設(shè)計中，TJA1050主要采取中斷模式進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。整個系統(tǒng)主程序提供2種中斷：定時器中斷和外部中斷。定時器中斷的中斷子程序主要負(fù)責(zé)處理來自模擬通道的數(shù)據(jù)，向TJA1050發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請求命令并發(fā)送數(shù)據(jù)；外部中斷的中斷處理子程序主要包括CAN總線錯誤處理子程序和數(shù)據(jù)接收子程序。

2基于IOS 11783的CAN協(xié)議設(shè)計

2.1IOS 11783的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

ISO 11783是一種農(nóng)林業(yè)機械專用的總線標(biāo)準(zhǔn)。ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)參照SAE J1939和DIN 9684標(biāo)準(zhǔn)，以控制局域網(wǎng)總線協(xié)議，即CAN 2.0B作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，規(guī)定了CAN總線在農(nóng)機上應(yīng)用的高層協(xié)議[9]。ISO 11783可分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，并采取定義地址的手段防止多個控制器使用相同的CAN標(biāo)志符。ISO 11783采用協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU來定義信息幀格式，在傳輸過程中，先將PDU分隔成一個或多個CAN數(shù)據(jù)幀，然后通過物理介質(zhì)傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)掛接設(shè)備上。ISO 11783PDU數(shù)據(jù)格式由7個部分構(gòu)成：優(yōu)先權(quán)（priority，P）、保留位（reserved，R）、數(shù)據(jù)頁（data page，DP）、PDU格式（PDU format，PF）、特定PDU（目標(biāo)地址、組擴展或?qū)Ｓ茫?、源地址（SA）和數(shù)據(jù)域。按照標(biāo)準(zhǔn)主控節(jié)點及3個功能節(jié)點的源地址分配見表1。

根據(jù)CAN協(xié)議的仲裁機制，報文ID號越小的節(jié)點具有越高的優(yōu)先權(quán)，當(dāng)功能節(jié)點同時發(fā)送反饋信息時，優(yōu)先級高的先發(fā)送，其他節(jié)點退出總線[10]。因此，各功能節(jié)點優(yōu)先級順序由高到低依次為：轉(zhuǎn)向控制節(jié)點、變速控制節(jié)點、微耕機具升降控制節(jié)點。

2.2應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計

系統(tǒng)采用單幀格式，每幀有8個字節(jié)，詳見表2。

表2應(yīng)用層協(xié)議

字節(jié)含義1命令2方向3速度4升降5保留6保留7保留8保留

每一幀包含轉(zhuǎn)向、速度和升降參數(shù)命令，其中轉(zhuǎn)向控制節(jié)點使用前需要進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)主控制節(jié)點發(fā)送的命令執(zhí)行不同操作。

3結(jié)果與分析

分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)綜合性能不僅與控制器的設(shè)計有關(guān)，還與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）緊密相關(guān)[11]。在控制系統(tǒng)中，采樣周期和網(wǎng)絡(luò)延遲對控制系統(tǒng)性能有較大影響，本試驗中將網(wǎng)絡(luò)傳輸時延作為主要的測試指標(biāo)。CAN通信中總線有顯式或者隱式2種狀態(tài)?？偩€上有1個節(jié)點輸出的為顯式狀態(tài)，總線上所有節(jié)點均輸出的為隱式狀態(tài)。導(dǎo)航控制系統(tǒng)采用ISO 11783通信協(xié)議，依據(jù)ISO 11783規(guī)定，每個消息幀的PDU設(shè)定了發(fā)送節(jié)點唯一的標(biāo)識符和優(yōu)先級，這樣在傳輸過程中，具有較高優(yōu)先級的信息幀贏得仲裁，而較低優(yōu)先級的信息幀改為只聽模式，等待總線空閑再嘗試發(fā)送。

總線上一條報文從生成到目的節(jié)點接收到的總時間包括數(shù)據(jù)生成延遲、仲裁延遲、傳輸延遲、接收數(shù)據(jù)延遲以及功能節(jié)點中光耦6N137的延遲。經(jīng)過8 h連續(xù)測試，取各節(jié)點樣本最小延遲時間Dn、最大延遲時間Dm和平均延遲時間Da作為測試指標(biāo)，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，主控節(jié)點和各功能節(jié)點的反應(yīng)時間都在2 ms左右內(nèi)，滿足實時性要求。

4結(jié)論

針對溫室大棚的微型耕作機導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了基于CAN

總線的節(jié)點設(shè)計，控制系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，以ARM11處理器S3C6410芯片作為主控制器節(jié)點，選用P87C591芯片作為功能節(jié)點，基于CAN總線對各節(jié)點進(jìn)行了軟件和硬件的設(shè)計，并基于ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了導(dǎo)航系統(tǒng)通信協(xié)議。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能測試表明，導(dǎo)航系統(tǒng)通信能夠滿足實時性要求且工作穩(wěn)定可靠，從而為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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通過調(diào)整α的值，可以改變位置偏差E和航向偏差φ的加權(quán)程度。通過模糊控制可以得到轉(zhuǎn)動控制量，組織數(shù)據(jù)幀發(fā)送到功能節(jié)點控制器。

主控制節(jié)點程序主要包括1個主函數(shù)和1個CAN數(shù)據(jù)接收中斷函數(shù)。程序中使用1個標(biāo)志來記錄當(dāng)前CAN總線有沒有接收到數(shù)據(jù)。主程序完成初始化后，每次中斷服務(wù)程序均讀取導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)，隨后判斷控制量刷新周期是否已到，若未到則結(jié)束，否則進(jìn)行控制量計算，刷新控制量輸出并保存當(dāng)前相關(guān)數(shù)據(jù)，程序流程如圖3所示。

1.3功能節(jié)點設(shè)計

功能節(jié)點包括轉(zhuǎn)向控制節(jié)點、變速控制節(jié)點和耕作機具升降控制節(jié)點，圖4是功能節(jié)點控制硬件原理圖，可以看出，該點節(jié)主要由MCU、收發(fā)器TJA1050和電壓轉(zhuǎn)換電路組成。

MCU選用1個單片8位高性能微控制器P87C591，具有片內(nèi)CAN控制器。高速光電耦合器采用6N137，這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各節(jié)點的電氣隔離。為了提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性，總線的兩端接有2個120 Ω的匹配電阻。TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器。TJA1050可以為總線提供差動發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動接收性能。

在功能節(jié)點的設(shè)計中，TJA1050主要采取中斷模式進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。整個系統(tǒng)主程序提供2種中斷：定時器中斷和外部中斷。定時器中斷的中斷子程序主要負(fù)責(zé)處理來自模擬通道的數(shù)據(jù)，向TJA1050發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請求命令并發(fā)送數(shù)據(jù)；外部中斷的中斷處理子程序主要包括CAN總線錯誤處理子程序和數(shù)據(jù)接收子程序。

2基于IOS 11783的CAN協(xié)議設(shè)計

2.1IOS 11783的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

ISO 11783是一種農(nóng)林業(yè)機械專用的總線標(biāo)準(zhǔn)。ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)參照SAE J1939和DIN 9684標(biāo)準(zhǔn)，以控制局域網(wǎng)總線協(xié)議，即CAN 2.0B作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，規(guī)定了CAN總線在農(nóng)機上應(yīng)用的高層協(xié)議[9]。ISO 11783可分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，并采取定義地址的手段防止多個控制器使用相同的CAN標(biāo)志符。ISO 11783采用協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU來定義信息幀格式，在傳輸過程中，先將PDU分隔成一個或多個CAN數(shù)據(jù)幀，然后通過物理介質(zhì)傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)掛接設(shè)備上。ISO 11783PDU數(shù)據(jù)格式由7個部分構(gòu)成：優(yōu)先權(quán)（priority，P）、保留位（reserved，R）、數(shù)據(jù)頁（data page，DP）、PDU格式（PDU format，PF）、特定PDU（目標(biāo)地址、組擴展或?qū)Ｓ茫?、源地址（SA）和數(shù)據(jù)域。按照標(biāo)準(zhǔn)主控節(jié)點及3個功能節(jié)點的源地址分配見表1。

根據(jù)CAN協(xié)議的仲裁機制，報文ID號越小的節(jié)點具有越高的優(yōu)先權(quán)，當(dāng)功能節(jié)點同時發(fā)送反饋信息時，優(yōu)先級高的先發(fā)送，其他節(jié)點退出總線[10]。因此，各功能節(jié)點優(yōu)先級順序由高到低依次為：轉(zhuǎn)向控制節(jié)點、變速控制節(jié)點、微耕機具升降控制節(jié)點。

2.2應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計

系統(tǒng)采用單幀格式，每幀有8個字節(jié)，詳見表2。

表2應(yīng)用層協(xié)議

字節(jié)含義1命令2方向3速度4升降5保留6保留7保留8保留

每一幀包含轉(zhuǎn)向、速度和升降參數(shù)命令，其中轉(zhuǎn)向控制節(jié)點使用前需要進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)主控制節(jié)點發(fā)送的命令執(zhí)行不同操作。

3結(jié)果與分析

分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)綜合性能不僅與控制器的設(shè)計有關(guān)，還與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）緊密相關(guān)[11]。在控制系統(tǒng)中，采樣周期和網(wǎng)絡(luò)延遲對控制系統(tǒng)性能有較大影響，本試驗中將網(wǎng)絡(luò)傳輸時延作為主要的測試指標(biāo)。CAN通信中總線有顯式或者隱式2種狀態(tài)。總線上有1個節(jié)點輸出的為顯式狀態(tài)，總線上所有節(jié)點均輸出的為隱式狀態(tài)。導(dǎo)航控制系統(tǒng)采用ISO 11783通信協(xié)議，依據(jù)ISO 11783規(guī)定，每個消息幀的PDU設(shè)定了發(fā)送節(jié)點唯一的標(biāo)識符和優(yōu)先級，這樣在傳輸過程中，具有較高優(yōu)先級的信息幀贏得仲裁，而較低優(yōu)先級的信息幀改為只聽模式，等待總線空閑再嘗試發(fā)送。

總線上一條報文從生成到目的節(jié)點接收到的總時間包括數(shù)據(jù)生成延遲、仲裁延遲、傳輸延遲、接收數(shù)據(jù)延遲以及功能節(jié)點中光耦6N137的延遲。經(jīng)過8 h連續(xù)測試，取各節(jié)點樣本最小延遲時間Dn、最大延遲時間Dm和平均延遲時間Da作為測試指標(biāo)，結(jié)果見表3。可以看出，主控節(jié)點和各功能節(jié)點的反應(yīng)時間都在2 ms左右內(nèi)，滿足實時性要求。

4結(jié)論

針對溫室大棚的微型耕作機導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了基于CAN

總線的節(jié)點設(shè)計，控制系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，以ARM11處理器S3C6410芯片作為主控制器節(jié)點，選用P87C591芯片作為功能節(jié)點，基于CAN總線對各節(jié)點進(jìn)行了軟件和硬件的設(shè)計，并基于ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了導(dǎo)航系統(tǒng)通信協(xié)議。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能測試表明，導(dǎo)航系統(tǒng)通信能夠滿足實時性要求且工作穩(wěn)定可靠，從而為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

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