基于DSP的深松整地聯合作業機監控系統的研制

李青龍，孫永佳，孫宜田，沈景新，陳　剛，竇青青

(山東省農業機械科學研究院，濟南　250100)

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基于DSP的深松整地聯合作業機監控系統的研制

李青龍，孫永佳，孫宜田，沈景新，陳剛，竇青青

(山東省農業機械科學研究院，濟南250100)

摘要：針對目前國內耕整地作業機械沒有智能化監控裝置，機手和農戶無法直接監測耕深大小的問題，開發了一種基于DSP的深松整地聯合作業機監控系統。該系統通過觸摸屏實現了耕深限值、作業幅寬的設置和當前耕深、平均耕深、作業面積、作業速度的顯示，以及耕深超過限值的報警；具有耕深數據U盤存儲功能，便于農戶核查機手的耕作質量。田間試驗結果表明：該系統工作穩定可靠，誤差率低，對促進農業生產和提高經濟效益具有重大的意義。

關鍵詞：耕整地作業機械；觸摸屏；監控系統；U盤存儲

0引言

土壤耕整作業是一項基本的田間作業項目，耕深是衡量耕整作業機械作業性能的重要參數，在作業過程中是否穩定、是否符合農藝的要求則會直接影響耕作的效果[1]。耕整地機械在田間作業時，由于土壤條件變化和人員操作的差異，造成同一塊地耕整地深度不一致，直接影響作業質量；而國內現有的耕整地機械包括一些大型進口耕整地機械均沒有智能化監控裝置[2-4]。目前，國內耕深的調節只是憑機手經驗大概調節，耕深的測量采用人工扒開機具作業過的土層，露出作業土層的底部，然后采用鋼尺板進行測量的方法。這種方式不僅勞動強度大，且帶有不確定性。隨著深松技術的推廣和深松機械的大量應用，國內出現了一些深松監控裝置，可以實時地顯示實際耕深，但不具備數據存儲和歷史數據查看的功能[5-6]。

針對上述情況，本文設計了一款可以實時檢測耕深并具有數據記錄功能的深松整地聯合作業機控制系統，使用者可以通過觸摸屏設置機具的作業幅寬和作業耕深限值，作業過程中的實時耕深、平均耕深、作業面積和作業速度等參數通過觸摸屏進行顯示；當耕深超出設定的范圍時，觸摸屏進行報警顯示。系統帶有U盤存儲功能，整個作業過程的作業參數通過USB總線實時存儲在U盤中，并帶有時間標簽，作業完畢可以讀取U盤中的數據，便于農戶了解作業過程中的耕深變化情況。

1系統結構設計及總體方案

整個控制系統的設計框圖如圖1所示。包括測深機構、DSP控制器和觸摸屏3個部分。通過固定板把測深機構安裝在深松整地聯合作業機的機架側邊，開始作業前，根據農藝要求和機具實際尺寸在觸摸屏上設定好耕深限值和作業幅寬。作業時，隨著深松鏟犁地深度的增加，仿形地輪向機具前進方向的相反方向運動，連接架帶動角度傳感器輸出角度值；DSP控制器實時讀取角度傳感器的檢測值，通過設定好的算法換算出實際的耕深值并通過觸摸屏顯示，當實際耕深超過設定的限值時，觸摸屏進行報警顯示。

圖1　控制系統整體設計框圖

2硬件電路設計

控制系統硬件結構如圖2所示，包括DSP算法單元、電源電路、速度檢測電路、A/D轉換電路、RS232、時鐘電路、U盤存儲電路和觸摸屏顯示電路。

圖2　控制系統硬件結構

2.1　DSP芯片

本文設計的控制系統采用TI公司的高性能32位浮點DSP芯片TMS320F28335作為控制芯片，該芯片包含單精度浮點運算單元，16×16位和32×32位乘法累加器，采用哈佛流水線總線結構，能夠快速執行中斷響應，具有精度高、功耗小、成本低、數據及程序存儲量大等優點[7]。

2.2　電源電路

目前，市場上的拖拉機供電電瓶一般為12V，該電源在拖拉機工作過程中波動比較大，特別是拖拉機打火啟動的瞬間，電壓甚至會降到7.5V左右。為了保證系統的正常工作，必須提供一個穩定可靠的電源電壓，本文設計時選用美國國家半導體公司生產的降壓開關型集成穩壓電路LM2576HVS-5.0作為5V電源轉換芯片。該芯片內含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準穩壓器(1.23V)，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需要極少的外圍器件即可構成高效穩壓電路。5V電源電路如圖3所示。

圖3　5V電源電路

TMS320F28335內核電壓為1.9V，I/O引腳電壓為3.3V，選擇TI公司的雙路低壓差電源調整器TPS767D301作為DSP的供電芯片。TPS767D301芯片輸入電壓為5V，芯片起振正常工作之后，一路固定輸出3.3V，另一路輸出可調，設計中選取R17為20kΩ，R18為12kΩ，輸出為1.89V的內核電壓，電源電路如圖4所示。

圖4　3.3V和1.8V電源電路

2.3　A/D轉換電路

本文選用Honeywell公司的霍爾效應式旋轉位置傳感器來檢測系統的角度值變化，角度傳感器輸出信號為模擬量信號，需要進行A/D轉換。TMS320F28335內部集成了一個12位帶流水線的A/D轉換器，該A/D轉換器具有快速轉換功能，時鐘頻率高達12.5MHz，滿足系統設計需要。為了使A/D轉換器達到更高的精度，在PCB布線時要保證連接到引腳ADCINxx的信號線盡量不要遠離數字信號線，以減少數字信號線上的開關噪聲對A/D轉換器產生的耦合干擾。

由于A/D采用通道自身的誤差，設計時利用A/D的兩路采樣通道來求得ADC存在的增益誤差和偏移誤差，并以此來校正其余14路A/D采樣通道。考慮到兩路校正通道的輸入電壓精度要求比較高，本文選用ADR421電壓基準芯片來產生兩路基準電壓，選擇ADC0和ADC8兩通道為校正通道，電路如圖5所示。

圖5　A/D電壓基準電路

2.4　速度檢測電路

速度檢測電路如圖6所示。速度傳感器安裝在地輪處，為霍爾感應式傳感器，地輪轉動時，通過感應輸出高低變化的電平信號，通過光電耦合器TLP181隔離后反相輸出；為了保證信號的一致性，增加了反相器74HC14。由于DSP的I/O電壓為3.3V，反相器輸出的5V電壓通過74LVC4245轉換為3.3V進入DSP的CAP引腳。

圖6　速度檢測電路

2.5　時間電路

為了便于農戶核對耕作質量，系統存儲的耕深值需帶有時間標簽，本文采用實時時鐘計時芯片ISL12026IBZ來產生系統時間，采用1Mbit存儲空間的鐵電存儲器FM24V10來存儲系統時間，兩個芯片通過I2C總線與DSP進行數據傳輸。時間電路如圖7所示。

圖7　時間電路

2.6　U盤存儲電路

本文設計的控制系統具有U盤存儲功能，整個作業過程的耕深數據通過USB總線存儲在U盤中，選用南京沁恒公司的CH376作為USB接口芯片，該芯片內置1.5Mbps低速和12Mbps全速USB通訊協議，兼容USB V2.0，對USB的編程簡單、代碼少，開發周期短、成本低[8]。U盤存儲電路如圖8所示。其中，CH376與DSP之間通過SPI接口連接，INT#引腳連接DSP的外部中斷引腳，中斷請求低電平有效。UD+、UD-是USB的數據線接口，連接外部USB母口。

圖8　U盤存儲電路

3觸摸屏設計

本文設計的深松整地聯合作業機監控系統所有的工作參數都通過觸摸屏進行設置和顯示，控制器與觸摸屏之間通過RS232串口進行數據通訊，觸摸屏選用北京迪文公司的DMT80480T070觸摸屏，該屏為7.0英寸800×480圖形點陣。觸摸屏的開發基于該公司的圖形界面、人機交互DGUS軟件，主界面如圖9所示。其可顯示作業過程中的速度、平均耕深、當前耕深、作業面積、作業幅寬等參數。“耕深設置”用于設置系統的耕深限值，“幅寬設置”用于針對不同機型設置對應的作業幅寬，使得系統具有良好的可移植性，點擊作業監控按鈕可切換到攝像頭界面觀察機具的實際作業狀況。

迪文DGUS屏采用異步、全雙工串口，串口模式為8n1，即每個數據傳送采用10個位：1個起始位，8個數據位，1個停止位。設計時，串口的所有指令都是16進制格式；對于字型(2個字節)數據，采用高字節先傳送(MSB方式)。為了保證數據傳輸的可靠性，防止出現數據錯位、誤傳現象，控制器與觸摸屏之間的數據收發進行CRC校驗，CRC校驗采用ANSI CRC-16格式。整個校驗程序的流程圖如圖10所示。

圖9　觸摸屏主界面

圖10　CRC校驗流程圖

4控制系統軟件設計

機具安裝完畢后，取測深機構垂直向下的角度為初始角度0°。機具工作時，隨著深松鏟下降深度的增加，測深機構向機具前進方向的相反方向運動，連軸機構帶動角度傳感器圍繞轉動中心轉動；角度傳感器輸出變化的角度值，通過公式計算轉換為實際的耕深值，計算示意圖如圖11所示。耕深計算公式為

h=H-(R·cosθ+r)

式中h—實際耕深(cm)；

H—支架旋轉中心到深松鏟尖的距離(cm)；

R—支架旋轉中心到地輪輪心的距離(cm)；

θ—角度變化值(弧度)

r—地輪半徑(cm)。

圖11　耕深計算示意圖

控制系統軟件流程如圖12所示。系統上電初始化之后，通過觸摸屏設置耕深限值和幅寬，在200μs定時中斷程序中實時采集角度傳感器和速度傳感器的數值；角度傳感器采集的模擬量經過A/D轉換子程序轉換為數字量用于計算實際耕深；速度傳感器輸入的脈沖量通過CAP模塊捕獲后經速度計算子程序計算出實際速度和實際作業面積，作業參數計算完畢后通過串口通訊模塊送給觸摸屏進行顯示。

圖12　系統軟件流程圖

5試驗結果

本文設計的控制系統在山東大華機械有限公司研制的1SZL系列深松整地機上進行了應用，并在山東大華機械有限公司試驗場做了大量田間試驗，控制系統全程工作正常。試驗時，為了保證試驗數據的多樣性，記錄機具行駛在不同作業速度下觸摸屏顯示的耕深數值和實際人工測量的耕深數值，所測數值和顯示值之間的對照及計算出來的相對誤差如表1所示。

表1　監控系統試驗結果

由表1可知：本文設計的深松整地聯合作業機監控系統實際耕深與顯示耕深的誤差均在6%以內，并且在不同的作業速度下測得，滿足田間作業要求，在實際耕作過程中的適用性比較好。

6結論

本文設計的基于DSP的深松整地聯合作業機監控系統具有測量精度高、操作簡單、工作穩定可靠等特點，實際工作時，既可以為機手調整耕深提供可靠的依據，改善了之前人工憑經驗粗放式調節方式，也可以為農戶核查耕作情況提供數據依據，有效的化解了農戶與機手之間的信任危機。田間試驗結果表明：該系統性能穩定可靠，誤差率低，對農業生產和提高經濟效益具有重大的意義。

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Development of DSP-based Joint Operations Subsoiling Machine Monitoring System

Li Qinglong, Sun Yongjia, Sun Yitian, Shen Jingxin, Chen Gang, Dou Qingqing

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences, Jinan 250100，China)

Abstract：According to domestic tillage machinery lack of intelligent monitoring devices , tractor driver and peasant household can not directly monitor the tillage depth, developed a DSP-based joint operations subsoiling machine monitoring system. Set tillage depth limits and operating width, and display current tillage depth, average tillage depth, operating area, operating speed and give an alarm if the depth overtop the limits through the touching screen. The system has a function with U disk storage, easy to peasant household checking tillage quality of the tractor driver. The field experiment results show that the system run stably and reliably, error rate is low, to the agricultural production has great production significance and economic benefits.

Key words：tillage machinery； the touching screen；monitoring system；U disk storage

中圖分類號：S222.4

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0118-05

作者簡介：李青龍(1983-)，男，濟南人，工程師，碩士研究生，(E-mail)max212@163.com。通訊作者：孫宜田(1980-)，男，山東滕州人，工程師，碩士。

基金項目：山東省農機裝備研發創新計劃項目(2015TG001)

收稿日期：2015-10-22