基于CAN總線的溫室大棚微耕機導航分布式控制系統節點設計

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

總線的自主導航分布式控制結構并進行節點的設計。系統采用主-從分布式控制結構，以嵌入式控制器作為主控節點采集GPS數據和電子羅盤數據，從而決策適當的控制指令；以單片機控制作為功能節點，實現對微耕機的轉向、變速和升降機具的控制?；贗SO11783標準設計了導航系統CAN通信協議，系統通訊測試結果表明，該通訊系統能夠滿足基本功能要求且工作穩定可靠。

關鍵詞：分布式控制；自動導航；CAN總線；溫室大棚；微耕機；ISO11783標準

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

收稿日期：2013-12-09

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[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，主要從事智能農業設施與裝備的研究工作。E-mail：taojianping2009@gmail.com。設施農業機械化的發展已經不僅僅是簡單替代體力勞動的機械的發展，而更多的是向著智能化、精細化、集約化方向發展。溫室大棚微型機械自動導航是精細農業的重要組成部分[1-2]，自動導航技術的應用可以減少重復作業，從而降低成本，減輕駕駛人員的工作負荷[3]。近些年來，國內外針對大田農業車輛自動導航的技術研究較多，而與大田相比，溫室大棚內工作環境更為惡劣，因而為了降低工作人員的勞動強度，自動導航技術的使用具有更重要的意義。

現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡[4]。在農業機械中應用控制器局域網絡（controller area network，CAN）

總線技術，已經成為農業裝備技術組成的重要方面。由于計算機技術、電子通信技術和控制技術在導航中的普遍應用，對傳感器、控制單元和處理器之間的數據傳輸提出了新的要求，使得CAN總線在農業機械導航系統中得到應用[5]。將工控機或個人計算機用于農業機械導航控制系統，雖然在數據處理性能上具有優勢，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勢（處理速度快、體積小、低功耗等特點）而獲得了廣泛的應用[7]。

本研究設計基于CAN總線的嵌入式ARM和單片機分布式控制網絡，系統由1個主控節點和3個從節點組成。主控節點采用S3C6410芯片ARM11處理器，負責根據RTK GPS數據和電子羅盤數據決策適當的控制指令；3個從節點選用P87C591單片機，分別實現轉向控制、變速控制以及微耕機升降機具的控制；根據CAN2.0總線協議制定數據通信協議，從而可為溫室環境下農業機械的導航研究提供試驗平臺。

1自動導航控制系統CAN總線節點的設計

主控節點獲取來自GPS和電子羅盤的實時數據，根據事先定義好的路徑以及各功能節點傳感器反饋的信息，通過導航算法計算出當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角，最后由主控節點統一發送命令給各功能節點，各功能節點執行機構按要求完成相應動作，從而實現微耕機控制和自動導航。

1.1系統整體結構

系統主要由主控制器節點以及3個功能節點組成，詳見圖1。電子羅盤（Honeywell HMR3200）、GPS接收器（Trimble 5800）和ARM11（S3C6410）處理器組成導航系統的主控節點，并以ARM11為主控制器的主控制節點負責處理電子羅盤、GPS信息并根據當前的車輪轉角、速度和微耕機具升降信息做出控制決策；功能節點由轉向節點、變速節點、升降節點組成，以單片機為主控制器，實現各功能節點傳感器信息的采集并接受主節點的命令，驅動直流電機實現轉向、變速和微耕機具升降控制。

1.2主控制器節點設計

1.2.1硬件設計主控制器節點采用三星公司的ARM11處理器S3C6410芯片，擁有強大的內部資源和數據處理能力，可穩定運行在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技術規范V2.OA/B，能夠發送或接收標準的和擴展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能，通過SPI接口與主控芯片進行數據傳輸，最高傳輸速率可達 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，屏蔽網接地。其中轉向控制節點和微耕機具升降控制節點上各接有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。在各功能節點串聯應用的情況下，串聯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主控制器節點的功能及實現導航系統主控制器節點通過采集GPS和電子羅盤等導航數據決策當前跟蹤的路徑，計算出微耕機的轉向、速度控制量并根據設定控制耕作機升降機具，將控制命令通過CAN總線發送至功能節點，功能節點接收主控節點的命令，反饋當前狀態信息并實時保存相關數據。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據，再計算出橫向偏差和航向偏差。轉向控制采用模糊控制的方法[8]，根據橫向偏差E和航向偏差φ的大小和方向來進行轉向控制，橫向偏差、航向偏差是模糊控制器的輸入，輸出為前輪期望轉角U，模糊控制可以近似為：

U=-<αE+（1-α）φ> （α∈[0，1]）。

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

通過調整α的值，可以改變位置偏差E和航向偏差φ的加權程度。通過模糊控制可以得到轉動控制量，組織數據幀發送到功能節點控制器。

主控制節點程序主要包括1個主函數和1個CAN數據接收中斷函數。程序中使用1個標志來記錄當前CAN總線有沒有接收到數據。主程序完成初始化后，每次中斷服務程序均讀取導航傳感器數據，隨后判斷控制量刷新周期是否已到，若未到則結束，否則進行控制量計算，刷新控制量輸出并保存當前相關數據，程序流程如圖3所示。

1.3功能節點設計

功能節點包括轉向控制節點、變速控制節點和耕作機具升降控制節點，圖4是功能節點控制硬件原理圖，可以看出，該點節主要由MCU、收發器TJA1050和電壓轉換電路組成。

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

在功能節點的設計中，TJA1050主要采取中斷模式進行總線數據的接收和發送。整個系統主程序提供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責處理來自模擬通道的數據，向TJA1050發送數據發送請求命令并發送數據；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據接收子程序。

2基于IOS 11783的CAN協議設計

2.1IOS 11783的標準結構

ISO 11783是一種農林業機械專用的總線標準。ISO 11783標準參照SAE J1939和DIN 9684標準，以控制局域網總線協議，即CAN 2.0B作為網絡協議，規定了CAN總線在農機上應用的高層協議[9]。ISO 11783可分為應用層、網絡層、數據鏈路層、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標志符。ISO 11783采用協議數據單元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數據幀，然后通過物理介質傳輸到其他網絡掛接設備上。ISO 11783PDU數據格式由7個部分構成：優先權（priority，P）、保留位（reserved，R）、數據頁（data page，DP）、PDU格式（PDU format，PF）、特定PDU（目標地址、組擴展或專用）、源地址（SA）和數據域。按照標準主控節點及3個功能節點的源地址分配見表1。

根據CAN協議的仲裁機制，報文ID號越小的節點具有越高的優先權，當功能節點同時發送反饋信息時，優先級高的先發送，其他節點退出總線[10]。因此，各功能節點優先級順序由高到低依次為：轉向控制節點、變速控制節點、微耕機具升降控制節點。

2.2應用層通信協議設計

系統采用單幀格式，每幀有8個字節，詳見表2。

表2應用層協議

字節含義1命令2方向3速度4升降5保留6保留7保留8保留

每一幀包含轉向、速度和升降參數命令，其中轉向控制節點使用前需要進行標定，根據主控制節點發送的命令執行不同操作。

3結果與分析

分布式網絡控制系統綜合性能不僅與控制器的設計有關，還與網絡服務質量（quality of service，QoS）緊密相關[11]。在控制系統中，采樣周期和網絡延遲對控制系統性能有較大影響，本試驗中將網絡傳輸時延作為主要的測試指標。CAN通信中總線有顯式或者隱式2種狀態。總線上有1個節點輸出的為顯式狀態，總線上所有節點均輸出的為隱式狀態。導航控制系統采用ISO 11783通信協議，依據ISO 11783規定，每個消息幀的PDU設定了發送節點唯一的標識符和優先級，這樣在傳輸過程中，具有較高優先級的信息幀贏得仲裁，而較低優先級的信息幀改為只聽模式，等待總線空閑再嘗試發送。

總線上一條報文從生成到目的節點接收到的總時間包括數據生成延遲、仲裁延遲、傳輸延遲、接收數據延遲以及功能節點中光耦6N137的延遲。經過8 h連續測試，取各節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，結果見表3?？梢钥闯?，主控節點和各功能節點的反應時間都在2 ms左右內，滿足實時性要求。

4結論

針對溫室大棚的微型耕作機導航系統進行了基于CAN

總線的節點設計，控制系統采用分布式控制結構，以ARM11處理器S3C6410芯片作為主控制器節點，選用P87C591芯片作為功能節點，基于CAN總線對各節點進行了軟件和硬件的設計，并基于ISO 11783標準設計了導航系統通信協議。系統網絡性能測試表明，導航系統通信能夠滿足實時性要求且工作穩定可靠，從而為進一步的研究奠定了基礎。

參考文獻：

[1]汪懋華.“精細農業”發展與工程技術創新[J]. 農業工程學報，1999，15（1）：7-14.

[2]Zhang N Q，Wang M H，Wang N. Precision agriculture-a worldwide overview[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2002，36（2/3）：113-132.

[3]李建平，林妙玲.自動導航技術在農業工程中的應用研究進展[J]. 農業工程學報，2006，22（9）：232-236.

[4]武洪恩，張承瑞，胡天亮. 基于現場總線的軟件化開放式CNC體系結構[J]. 山東大學學報：工學版，2007，37（2）：12-15，20.

[5]安秋，姬長英，周俊，等. 基于CAN總線的農業移動機器人分布式控制網絡[J]. 農業機械學報，2008，39（6）：123-126，117.

[6]Darr M J，Stombaugh T S，Shearer S A. Controller area network based distributed control for autonomous vehicles[J]. Transactions of the ASAE，2005，48（2）：479-490.

[7]夏宇，王軍政，徐山峰. 基于ARM9的嵌入式控制系統設計與實現[J]. 微計算機信息，2008，24（22）：1-3.

[8]周建軍，張漫，汪懋華，等. 基于模糊控制的農用車輛路線跟蹤[J]. 農業機械學報，2009，40（4）：151-156.

[9]宋巖，徐皚冬，楊為民. 農機總線ISO 11783網絡技術研究[J]. 拖拉機與農用運輸車，2007，34（1）：80-82.

[10]饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓. 現場總線CAN原理與應用技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[11]牛云，吳旭光. 分布式網絡化控制系統優化協同設計[J]. 計算機測量與控制，2011，19（3）：571-574.楊欣，顏偉，朱銀，等. 江蘇省農業種質資源中期庫種子活力監測系統的初步設計[J]. 江蘇農業科學，2014，42（9）：368-370.endprint

通過調整α的值，可以改變位置偏差E和航向偏差φ的加權程度。通過模糊控制可以得到轉動控制量，組織數據幀發送到功能節點控制器。

主控制節點程序主要包括1個主函數和1個CAN數據接收中斷函數。程序中使用1個標志來記錄當前CAN總線有沒有接收到數據。主程序完成初始化后，每次中斷服務程序均讀取導航傳感器數據，隨后判斷控制量刷新周期是否已到，若未到則結束，否則進行控制量計算，刷新控制量輸出并保存當前相關數據，程序流程如圖3所示。

1.3功能節點設計

功能節點包括轉向控制節點、變速控制節點和耕作機具升降控制節點，圖4是功能節點控制硬件原理圖，可以看出，該點節主要由MCU、收發器TJA1050和電壓轉換電路組成。

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

在功能節點的設計中，TJA1050主要采取中斷模式進行總線數據的接收和發送。整個系統主程序提供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責處理來自模擬通道的數據，向TJA1050發送數據發送請求命令并發送數據；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據接收子程序。

2基于IOS 11783的CAN協議設計

2.1IOS 11783的標準結構

ISO 11783是一種農林業機械專用的總線標準。ISO 11783標準參照SAE J1939和DIN 9684標準，以控制局域網總線協議，即CAN 2.0B作為網絡協議，規定了CAN總線在農機上應用的高層協議[9]。ISO 11783可分為應用層、網絡層、數據鏈路層、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標志符。ISO 11783采用協議數據單元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數據幀，然后通過物理介質傳輸到其他網絡掛接設備上。ISO 11783PDU數據格式由7個部分構成：優先權（priority，P）、保留位（reserved，R）、數據頁（data page，DP）、PDU格式（PDU format，PF）、特定PDU（目標地址、組擴展或專用）、源地址（SA）和數據域。按照標準主控節點及3個功能節點的源地址分配見表1。

根據CAN協議的仲裁機制，報文ID號越小的節點具有越高的優先權，當功能節點同時發送反饋信息時，優先級高的先發送，其他節點退出總線[10]。因此，各功能節點優先級順序由高到低依次為：轉向控制節點、變速控制節點、微耕機具升降控制節點。

2.2應用層通信協議設計

系統采用單幀格式，每幀有8個字節，詳見表2。

表2應用層協議

字節含義1命令2方向3速度4升降5保留6保留7保留8保留

每一幀包含轉向、速度和升降參數命令，其中轉向控制節點使用前需要進行標定，根據主控制節點發送的命令執行不同操作。

3結果與分析

分布式網絡控制系統綜合性能不僅與控制器的設計有關，還與網絡服務質量（quality of service，QoS）緊密相關[11]。在控制系統中，采樣周期和網絡延遲對控制系統性能有較大影響，本試驗中將網絡傳輸時延作為主要的測試指標。CAN通信中總線有顯式或者隱式2種狀態?？偩€上有1個節點輸出的為顯式狀態，總線上所有節點均輸出的為隱式狀態。導航控制系統采用ISO 11783通信協議，依據ISO 11783規定，每個消息幀的PDU設定了發送節點唯一的標識符和優先級，這樣在傳輸過程中，具有較高優先級的信息幀贏得仲裁，而較低優先級的信息幀改為只聽模式，等待總線空閑再嘗試發送。

總線上一條報文從生成到目的節點接收到的總時間包括數據生成延遲、仲裁延遲、傳輸延遲、接收數據延遲以及功能節點中光耦6N137的延遲。經過8 h連續測試，取各節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，結果見表3?？梢钥闯?，主控節點和各功能節點的反應時間都在2 ms左右內，滿足實時性要求。

4結論

針對溫室大棚的微型耕作機導航系統進行了基于CAN

總線的節點設計，控制系統采用分布式控制結構，以ARM11處理器S3C6410芯片作為主控制器節點，選用P87C591芯片作為功能節點，基于CAN總線對各節點進行了軟件和硬件的設計，并基于ISO 11783標準設計了導航系統通信協議。系統網絡性能測試表明，導航系統通信能夠滿足實時性要求且工作穩定可靠，從而為進一步的研究奠定了基礎。

參考文獻：

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[8]周建軍，張漫，汪懋華，等. 基于模糊控制的農用車輛路線跟蹤[J]. 農業機械學報，2009，40（4）：151-156.

[9]宋巖，徐皚冬，楊為民. 農機總線ISO 11783網絡技術研究[J]. 拖拉機與農用運輸車，2007，34（1）：80-82.

[10]饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓. 現場總線CAN原理與應用技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[11]牛云，吳旭光. 分布式網絡化控制系統優化協同設計[J]. 計算機測量與控制，2011，19（3）：571-574.楊欣，顏偉，朱銀，等. 江蘇省農業種質資源中期庫種子活力監測系統的初步設計[J]. 江蘇農業科學，2014，42（9）：368-370.endprint

通過調整α的值，可以改變位置偏差E和航向偏差φ的加權程度。通過模糊控制可以得到轉動控制量，組織數據幀發送到功能節點控制器。

主控制節點程序主要包括1個主函數和1個CAN數據接收中斷函數。程序中使用1個標志來記錄當前CAN總線有沒有接收到數據。主程序完成初始化后，每次中斷服務程序均讀取導航傳感器數據，隨后判斷控制量刷新周期是否已到，若未到則結束，否則進行控制量計算，刷新控制量輸出并保存當前相關數據，程序流程如圖3所示。

1.3功能節點設計

功能節點包括轉向控制節點、變速控制節點和耕作機具升降控制節點，圖4是功能節點控制硬件原理圖，可以看出，該點節主要由MCU、收發器TJA1050和電壓轉換電路組成。

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

在功能節點的設計中，TJA1050主要采取中斷模式進行總線數據的接收和發送。整個系統主程序提供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責處理來自模擬通道的數據，向TJA1050發送數據發送請求命令并發送數據；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據接收子程序。

2基于IOS 11783的CAN協議設計

2.1IOS 11783的標準結構

ISO 11783是一種農林業機械專用的總線標準。ISO 11783標準參照SAE J1939和DIN 9684標準，以控制局域網總線協議，即CAN 2.0B作為網絡協議，規定了CAN總線在農機上應用的高層協議[9]。ISO 11783可分為應用層、網絡層、數據鏈路層、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標志符。ISO 11783采用協議數據單元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數據幀，然后通過物理介質傳輸到其他網絡掛接設備上。ISO 11783PDU數據格式由7個部分構成：優先權（priority，P）、保留位（reserved，R）、數據頁（data page，DP）、PDU格式（PDU format，PF）、特定PDU（目標地址、組擴展或專用）、源地址（SA）和數據域。按照標準主控節點及3個功能節點的源地址分配見表1。

根據CAN協議的仲裁機制，報文ID號越小的節點具有越高的優先權，當功能節點同時發送反饋信息時，優先級高的先發送，其他節點退出總線[10]。因此，各功能節點優先級順序由高到低依次為：轉向控制節點、變速控制節點、微耕機具升降控制節點。

2.2應用層通信協議設計

系統采用單幀格式，每幀有8個字節，詳見表2。

表2應用層協議

字節含義1命令2方向3速度4升降5保留6保留7保留8保留

每一幀包含轉向、速度和升降參數命令，其中轉向控制節點使用前需要進行標定，根據主控制節點發送的命令執行不同操作。

3結果與分析

分布式網絡控制系統綜合性能不僅與控制器的設計有關，還與網絡服務質量（quality of service，QoS）緊密相關[11]。在控制系統中，采樣周期和網絡延遲對控制系統性能有較大影響，本試驗中將網絡傳輸時延作為主要的測試指標。CAN通信中總線有顯式或者隱式2種狀態?？偩€上有1個節點輸出的為顯式狀態，總線上所有節點均輸出的為隱式狀態。導航控制系統采用ISO 11783通信協議，依據ISO 11783規定，每個消息幀的PDU設定了發送節點唯一的標識符和優先級，這樣在傳輸過程中，具有較高優先級的信息幀贏得仲裁，而較低優先級的信息幀改為只聽模式，等待總線空閑再嘗試發送。

總線上一條報文從生成到目的節點接收到的總時間包括數據生成延遲、仲裁延遲、傳輸延遲、接收數據延遲以及功能節點中光耦6N137的延遲。經過8 h連續測試，取各節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，結果見表3?？梢钥闯?，主控節點和各功能節點的反應時間都在2 ms左右內，滿足實時性要求。

4結論

針對溫室大棚的微型耕作機導航系統進行了基于CAN

總線的節點設計，控制系統采用分布式控制結構，以ARM11處理器S3C6410芯片作為主控制器節點，選用P87C591芯片作為功能節點，基于CAN總線對各節點進行了軟件和硬件的設計，并基于ISO 11783標準設計了導航系統通信協議。系統網絡性能測試表明，導航系統通信能夠滿足實時性要求且工作穩定可靠，從而為進一步的研究奠定了基礎。

參考文獻：

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