基于CAN总线的联合收割机智能控制系统的设计与实现

摘要：本文介绍了一种以P87C2591单片机为主控器，以谷物流量传感器、谷物湿度传感器、割台高度传感器、地速传感器、升运器转速传感器、DGPS接收机、变量作业控制和智能控制终端为主要外围元件的联合收割机智能控制系统。此系统具有显示直观、准确，使用方便、可靠等优点，代表了联合收割机智能控制系统的最新发展趋势。在系统设计过程中充分考虑了性价比，选用价格低、性能稳定的元器件。通过运行调试，试验结果与设计要求基本一致。
关键词：CAN总线；联合收割机；智能控制

1 系统组成及工作原理
    整个系统可以分成两个独立的部分：产量监测子系统和变量作业控制子系统。它们分别用来实现产量监测和变量作业控制的功能。系统框图如图1所示。系统中所有节点都是“即插即用”的，当其与总线连接或者断开时都可被控制终端检测到。当需要实现产量监测的时候，可以把变量作业控制ECU断开，只要在总线上连接实现测产的各传感器ECU、DPGS以及智能控制终端即可；当需要实现变量作业控制的功能时，可以断开系统中不需要用到的传感器ECU，连接上变量作业控制ECU以及地速传感器ECU即可。在两个子系统中，智能控制终端都必须连接在总线上，它监视着各节点的状态并且监控系统的运行，USBCAN-II是系统的一个附加节点，它是周立功发展有限公司生产的一种CAN-bus智能转换卡，通过USB电缆与PC连接，就可以在PC机上实时观察CAN总线上的所有报文，并进行CAN-bus网络数据分析和处理，有利于系统的调试和实验分析。

2 硬件构成
    本系统硬件主要包括以下几个模块：集成有CAN控制器的增强型P87C591单片机主控模块、电源模块、传感器模块、人机交互接口模块、U盘文件读写模块等。其中P87C591微处理器负责接收和处理总线上各传感器采集到的数据和GPS数据，还负责发送控制命令等数据给总线上的其他节点；传感器完成信号的采样功能，微处理器通过U盘文件读写模块与U盘相连，用于存储产量和其他传感器，并且读取存储在U盘内的作物管理、变量作业处方图文件；通过RS232通用串行接口，微处理器和液晶显示器及触摸屏相连，实现人机交互的功能。
2．1 主控模块选型
    系统采用Philips半导体公司生产的集成有CAN控制器的增强型P87C591，它是一个8位高性能微处理器，44引脚，除了具有51系列微处理器的通用功能和片内CAN控制器外，还集成有6路模拟输入的10位ADC，并可选择快速8位ADC，2个8位分辨率的脉宽调制输出(PWM)，带字节方式主、从功能的I2C总线串行I／O口，以及片内看门狗定时器T3。此外，它还具有4个中断优先级，15个中断源。P87C59l微处理器采用了强大的80C5l指令集，并包括Philips半导体SJAl000独立CAN控制器的PeliCAN功能。
2．2 电源模块设计
    电源模块提供系统正常运行所必需的电源，其电路如图2所示。采用了12V转5V的DC-DC模块，输入端电源来自联合收割机的车载蓄电池，通过CAN总线电缆的电源线和地线接入控制终端，并能提供2A的负载电流。

2．3 存储器扩展模块设计
    本系统采用32k×8位的静态RAM-HY62256数据存储器和164k×8位的可电擦写的E2PROM-W27C512程序存储器，通过地址总线和数据总线与CPU连接，RAM和ROM的地址总线是独立的，他们可以使用相同的地址空间。数据存储器和程序存储器的扩展电路图如图3所示。

2．4 U盘文件读写模块接口设计
    本系统采用南京沁恒电子有限公司生产的CH375HM的U盘作为存储器，它具有携带方便、存储量大、掉电不容易丢失、即插即用等特点。单片机通过此芯片读写U盘内的数据，单片机系统与U盘文件读写模块之间的电路连接选用并口连接、INTO#中断通知模式。其接口电路如图4所示。74LSl38的第10脚作为其片选信号CS0，U盘文件读写模块的第13引脚STA是启动信号的输入端，它与CPU的第7引脚P1．5相连，CPU通过此引脚通知U盘文件读写模块读写命令的开始，模块的第9引脚INT0为中端请求输出端，它连接到CPU的第14引脚上(INT0／P3．2)，通知CPU相应读写命令的完成。

2．5 BAN总线接口电路设计
    P87C591集成了片内CAN控制器，系统不再需要扩展独立的CAN控制器来实现CAN通信，从而简化了系统硬件结构，节省了资源。其接口原理图如图5所示。

2．6 传感器的选型
2．6．1 谷物流量传感器
    谷物流量传感器是产量监测系统中最主要的传感器，它可以在设定的时间间隔内(或机器对应行程间距内)自动计量累计产量，再换算为对应时间间隔内作业面积的单位面积产量。此外，为了提高测产的精度，对于具体的农田通过不同的标定，计算标定系数，对产量数据进行修正。目前应用的谷物流量传感器主要有四种类型：冲击式流量传感器、丫射线式流量传感器、光电式容积流量传感器以及刮板轮式容积流量传感器，本系统采用的是冲击式流量传感器。
2．6．2 谷物湿度传感器
    谷物湿度传感器是获取收获时谷物的湿度，以便将所有的产量转换成标准值。在联合收割机上使用的谷物湿度传感器，主要按照极板式电容传感器原理设计。
2．6．3 割台高度传感器
    割台高度用来指示当前收割机是处于收割状态还是抬起状态，它的测量可以通过电位器(或接触开关)来实现。
2．6．4 地速的测量
    地速可利用传统的雷达法、变速箱轴转速法以及GPS来测量，这些方法都有各自的局限性，将这几种方法互补使用，将是理想的测量方法。
2．6．5 转速的测量
    转速有光电脉冲法(包括精密的光电编码器)、霍尔元件法等很多成熟技术可供选用。
2．6．6 割幅宽度的测量
    割幅宽度可以使用超声波进行测量。
2．7 系统抗干扰设计
2．7．1 系统硬件抗干扰设计
    (1)滤波技术
    a．将电源变压器的进线段加入滤波器，以削弱瞬变噪声干扰。
    b．在直流电源线和地线之间接滤波电容，以抑制电源噪声。
    (2)去耦电路
    在印刷电路板的各个集成电路的电源线端与地线端之间配置去耦电容。
    (3)屏蔽技术
    屏蔽技术主要由电场屏蔽、电磁场屏蔽和磁场屏蔽三类，本系统采用电场和电磁场屏蔽的方法。主要使用低电阻材料作为屏蔽材料，把需要隔离的部分保卫起来。磁场屏蔽则应采用高导磁率的材料。
    (4)光电隔离
    在I／O通道上采用光电隔离器，将单片机系统与各种传感器、开关从电气上隔离开来，很大一部分干扰可被挡。
2．7．2 系统软件抗干扰设计
    对于微机测控系统，仅仅考虑硬件的抗干扰是远远不够的，采取一定的软件抗干扰措施非常必要，它不仅能降低系统的硬件成本，又可以充分发挥软件的优势，使系统具有自我诊断、自我恢复的能力。本系统采用的软件抗干扰措施主要有以下几种：
    (1)数字滤波技术，采用数字滤波技术除去输入信号中所掺杂的各种随机干扰。
    (2)软件陷阱技术，当系统受到干扰，PC值发生变化，程序“乱飞”等情况，可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态。具体的讲，可以在RAM中埋一些标志，在每次程序复位时，通过这些标志，可以判断复位原因并根据不同的标志直接跳到相应的程序。这样可以使程序运行有连续性，用户在使用时也不易察觉到程序被重新复位过。

3 软件设计
    本系统软件主要由CAN总线通信、数据实时处理、LCD显示子程序、触摸屏控制数据存储和变量作业处方图文件读取等六大模块组成，因为C语言编写的软件易于实现模块化，生成的机器代码质量高、可读性强、移植性好，所以本系统的软件采用C语言编写，在WAVE6000编译器环境下编写代码和调试。
    主程序主要完成硬件初始化、子程序调用等功能，主程序流程图如图6所示。

4 结束语
    随着电子技术的广泛应用，智能温室控制必将成为一种发展趋势，文中提出利用P87C591单片机和新型传感器对联合收割机环境进行测试，目前原型机己取得成功。调试结果表明，本系统可靠性高、使用方便，下一步将在此基础上开发控制系统，给用户提供更大的方便。