聯合收獲機CAN總線架構設計與試驗

蔣建東 孫遠方 金 驍 周 倩 毛智琳

(1.浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室， 杭州 310014；2.星光農機股份有限公司， 湖州 313017)

0 引言

谷物聯合收獲機是一種復式農業作業機械，可以實現收獲、脫粒、清選、儲糧、卸糧等多種作業功能[1]。隨著電子控制單元的不斷引入，為了提高信號利用率，要求大量數據在不同的電子單元中共享，傳統的電氣系統大多采用點對點的單一通信方式，造成布線系統龐大[1-2]，而CAN總線是一種可靠的實時控制網絡，近年來廣泛應用在農業機械上。

目前，國內農機CAN總線系統的研究主要針對某一特定功能進行開發[3-4]，尚處于起步階段。魏新華等[5]將CAN總線技術用于收獲機的故障檢測，實現各個模塊的協調工作和信息共享。張美娜等[6]采用CAN總線設計了聯合收獲機導航數據采集系統，可以獲得收獲機實時的位置、姿態等導航信息。上述研究大都針對傳統收獲機，將CAN總線作為實現某個功能的工具，并未從本質上優化整個收獲機的控制系統。國外對大型作業農機已有成熟的CAN總線系統[7-8]。HOFSTEE等[9]提出了一種用于農業噴灑作業裝備的CAN總線系統解決方案。ISO 11783系列標準為拖拉機和農業作業設備提供了全面的網絡協議，包括牽引拖拉機和掛載作業機具[10]。然而，對聯合收獲機的研究稍稍落后，尚未形成行業標準，也沒有系統的解決方案。另外，目前農業機械物聯網控和附屬設施的發展也相對滯后。因此，設計聯合收獲機CAN總線系統時需考慮未來農機的發展趨勢，附屬設施、信息設備等也要作為系統的一部分。

本文以谷物聯合收獲機為研究對象，在現有子系統的基礎上，考慮到未來信息化的發展需求，設計聯合收獲機網絡結構和通信協議，并通過試驗驗證系統的可靠性。

1 CAN總線系統總體設計

1.1 系統網絡結構

為了滿足聯合收獲機的自動導航需求，底層動力傳動對通信的實時性要求較高。聯合收獲機作業系統復雜，需要大量的傳感器和執行器來滿足作業精細化需求。考慮到未來農機信息化和舒適化的發展方向，還需考慮聯合收獲機附屬設備和遠程交互通信需求。

為了滿足上述聯合收獲機通信需求，設計了由4條CAN總線構成的控制網絡，如圖1所示。聯合收獲機測控系統由動力CAN總線、設備管理CAN總線和2條專用設備CAN總線構成，每一條CAN總線上掛接數個控制器節點負責收獲機特定子系統的測控功能。其中，動力CAN總線負責收獲機的底盤、驅動等底層設備通信。設備管理CAN總線有收獲機控制中心、附屬設備和遠程交互模塊等節點。在聯合收獲機上，專用設備CAN總線被劃分為2條，分別完成切割輸送部分和脫粒卸糧部分的數據采集和控制。不同總線之間通過網關連接[11-12]，網關有選擇地將一條總線上的數據傳輸到另一條總線。網絡系統如圖2所示。

圖1 CAN總線網絡結構示意圖Fig.1 Network structure diagram of CAN bus

圖2 聯合收獲機CAN總線網絡系統Fig.2 CAN bus network system of combine harvester

1.2 CAN總線通信協議設計指標

由于聯合收獲機工作環境復雜多樣，各個子系統之間需要相互協調工作，才能滿足農業精細化生產的要求。為了使聯合收獲機控制系統滿足以上要求，CAN總線的協議設計應達到以下指標[13]：①遵循ISO 11783國際標準中規定的CAN總線數據鏈路層規范，參考該標準針對拖拉機應用層協議的建議，設計符合聯合收獲機的應用層協議。②應用層協議應覆蓋收獲機的各個子系統所有部件，為各個子系統的所有部件的信息分配數據幀標識符。通信協議的標識符資源應至少預留50%用于擴展定義。③設計要求總線處于高負載時(數據發送周期為20 ms)，總線負載率應小于50%，且滿足通信實時性要求。

2 基于ISO 11783的通信協議設計

2.1 數據幀格式

ISO 11783以CAN 2.0B為基礎，通過CAN總線進行數據通信。它的數據鏈路層定義了信息幀的數據結構、編碼規則，包括通信優先權、傳輸方式、通信要求、總線仲裁、錯誤檢測及處理。它重新分組定義了CAN總線擴展幀的29位標識符[14]，報文的標識符可以描述報文的全部特征，如圖3所示。

圖3 數據幀報文格式Fig.3 Message format of data frame

在29位標識符中，優先級位、保留位、數據頁位、協議數據單元(Protocol data unit, PDU)格式位和特定PDU構成報文的參數組編號(Parameter group numbers, PGN)。PGN除確定或標識命令、數據、某些請求、確認和否定之外，還可以確定或標識要求多個CAN數據幀通信的信息，若消息長度大于8字節，必須將消息分組封裝發送。PS(PDU specific)的定義取決于PF(PDU format)，若PF段的值小于240，PS是目標地址；若PF段的值在240～255之間，PS是參數組擴展值。在ISO 11783標準中可用參數組的總數目為：[240+(16×256)]×2=8 672。

總之，參數組編號PGN是CAN總線系統中報文的唯一標識。設計CAN總線通信協議的一個主要內容是為不同的報文分配其特有的參數組編號。

2.2 參數組編號定義

根據聯合收獲機的數據需求，將聯合收獲機上的CAN總線數據分為10個部分：GPS位置信息、行駛控制系統、網絡信息系統、柴油機引擎、切割輸送、脫粒卸糧、環境和燈光、液壓系統、電氣系統和傳動系統。各個數據區的參數組編號(PGN)以及可定義的報文數如表1所示[15]。ISO 11783標準中規定有8 672個參數組可用，在保證每個數據塊有充足空間的前提下，仍具有80%的擴展定義空間。

2.3 應用層協議

ISO 11783標準中規定了對每個參數都應該確定它的數據類型。數據類型可以是命令數據或測量數據。命令數據是指發送命令的傳輸節點將某個參數設為某一個指定的狀態。命令數據有發動機剎車啟動、割臺控制、速度控制等。測量值類型數據表示了傳輸節點對某個參數測量后得到的當前值，這樣可以確定已定義參數的狀態。屬于測量值類型的數據有位置信息、發動機轉速以及當前行駛速度等。

表1 CAN系統參數組編號定義Tab.1 PGN definition of CAN system

參考標準制定一個表示聯合收獲機行駛狀態的報文[10]，該報文的8個字節的數據用于描述聯合收獲機的運行狀態。其中，字節1、2表示行駛速度，一個比特代表1 m/s，解析上限64 255 m/s。字節3～6表示行駛距離，一個比特代表1 m，可以表示0～4 211 081 215 m。字節8的前兩個比特表示行駛方向，01表示前進，00表示后退，其余的值認為錯誤或無效。剩余未定義的位即為保留，見表2。

表2 數據幀示例Tab.2 Examples of data frames

CAN總線系統中，命令數據根據聯合收獲機實時的作業需求，不定期發送。測量數據是各個ECU周期性采集的收獲機的運行狀態和作業狀態參數。參考ISO 11783標準和文獻[9]中對數據采集周期的定義，本文定義了2種數據采集周期，50 ms(典型工作狀態)和20 ms(高負載工作狀態)。

3 試驗

3.1 試驗系統

建立了CAN總線試驗平臺，包括動力CAN總線、設備管理CAN總線和專用設備CAN總線，如圖4所示。由于2條專用設備CAN總線在網絡結構和應用邏輯上有相似性，因此，試驗系統只有1條專用設備CAN總線。該試驗平臺共有20個節點，其中動力CAN總線上有8個節點，專用設備CAN總線上有4個節點，設備管理CAN總線上有8個節點，2個網關將3條CAN總線連接起來。模擬網關1連接動力CAN總線和設備管理CAN總線，模擬網關2連接專用設備CAN總線和設備管理CAN總線。

圖4 CAN總線系統試驗平臺Fig.4 Test platform of CAN bus system1.專用設備CAN總線 2.網關2 3.CAN總線分析儀 4.動力CAN總線 5.網關1 6.設備管理CAN總線

試驗平臺模擬設備節點在500 kb/s的波特率下周期性地收發數據。CAN總線分析儀將總線上的數據轉發到上位機。上位機可以實時獲取CAN報文以及CAN總線負載。通過示波器采集不同節點發送和接收的時差，來觀察通信的實時性。

3.2 試驗結果

根據制定的協議和收獲機參數組設定，為了模擬聯合收獲機設備節點，對試驗平臺的節點編程進行收發試驗。在不同的周期下進行監測實時負載和通信延時。以20 ms和50 ms模擬聯合收獲機最大負載和典型情況。

3.2.1實時負載分析

50 ms周期下的各總線負載如圖5a所示。其中專用設備CAN總線和動力CAN總線在100 s內的平均負載率分別為2.41%和3.94%。設備管理CAN總線平均負載率是11.13%。

20 ms周期下的各CAN總線負載如圖5b所示。其中專用設備CAN總線和動力CAN總線在100 s內的平均負載率分別為6.15%和12.49%，設備管理CAN總線的平均負載率是26.58%。

圖5 不同周期下CAN總線實時負載Fig.5 Real-time load under different cycles of CAN bus

試驗結果表明，不論在50 ms周期還是20 ms的高負載工作周期，3條CAN總線的負載率均低于30%，完全滿足聯合收獲機控制系統50%負載率的設計需求。

3.2.2通信實時性

運行CAN總線系統，使3條總線的負載穩定在圖5b所示的負載。分別選取3條CAN總線上的任意節點作為發送節點，再分別選取3條CAN總線上的節點作為接收節點，發送節點發送方波。重復多次試驗，示波器讀出發送端和接收端的方波延時，結果如表3所示。為了驗證總線負載對傳輸延時的影響，增大CAN總線通信試驗的數據量，將總線負載率逼近100%，單條CAN總線在不同負載下的通信延時如圖6所示。

表3 CAN總線數據傳輸時間Tab.3 Data transmission time of CAN bus μs

圖6 傳輸延時與負載關系Fig.6 Relationship between transmission delay and CAN bus load

從表3可以看出，3條CAN總線各自在總線內部通信的平均延時在300 μs左右。設備管理CAN總線與其他CAN總線通信需要經過一個網關，所以設備管理CAN總線與其他兩條CAN總線的通信延時明顯高于在總線內部通信。延時為兩條總線內部延時之和，約為600 μs。專用設備CAN總線與動力CAN總線之間通信需通過2個網關，所以延時最高，平均延時為910 μs左右，最大延時也在1 ms以內。對于單條CAN總線來說，如圖6所示，50%以下負載率的變化對傳輸延時沒有明顯的影響；50%～70%之間負載率的增大會帶來相對明顯的傳輸延時；70%以上負載率的增大會導致傳輸延時顯著增大。

試驗結果表明，50%以下的負載率對通信實時性影響不大，本系統通信延時主要在于通信所涉及的不同CAN總線的數量，報文經過越多的總線或網關，延時相應越高，最大總延時在1 ms以內。由于CAN總線在底層出錯重發的錯誤處理機制和幀間隙的存在，CAN總線很難達到滿負荷[16-17]。雖然會增大CAN總線的負載，但在一定程度上預防了丟幀問題，保證了傳輸的可靠性。所以對于本CAN總線系統而言，只要保證負載率在50%以下，通信的實時性和可靠性都可以得到保證。

3.3 實例

以聯合收獲機導航控制為應用實例[18-19]。表4給出了實例的CAN節點在4條CAN總線上的分布情況。表中的CAN1、CAN2、CAN3和CAN4分別對應系統的動力CAN總線、設備管理CAN總線、專用設備CAN總線1和專用設備CAN總線2。在自動導航的一個計算周期里，CAN3和CAN4上的GPS和陀螺儀模塊首先采集到收獲機的位置和姿態信息，然后將數據發給CAN2上的車載控制中心。控制中心根據位置信息和預設好的路徑，通過導航算法計算出收獲機的期望速度和轉角，將控制指令分別發送給CAN1上的2個電機驅動器，配合編碼器實現對速度的閉環控制。指示燈的閃爍狀態反映導航偏差大小和方向。在一個導航周期中，所有4條CAN總線均有數據傳輸，既有單條CAN總線內部的數據傳輸，也有通過網關在不同CAN總線之間的數據傳輸。在車輛行駛過程中不斷重復上述過程實現導航。

表4 導航試驗CAN節點構成及分布Tab.4 Structure and distribution of CAN nodes in navigation test

在保持原有導航算法的基礎上[20]，在本文所述的CAN總線架構上進行驗證測試，試驗系統如圖7所示。小型履帶式聯合收獲機以0.3 m/s的速度跟隨一條預設的直線，每0.5 s采集一個坐標點并記錄。取20 s內的40個坐標點對比預設直線，計算出橫向偏差。試驗結果如圖8所示，20 s內橫向偏差的平均值為2.55 cm，最大值為5.90 cm。使用傳統的單機控制時[21]，橫向偏差平均值為2.45 cm，最大偏差為5.86 cm，控制效果與本系統保持一致。試驗結果表明，本CAN總線架構優化了傳統的聯合收獲機控制方式，系統性能滿足聯合收獲機導航控制的需求。

圖7 小型履帶式聯合收獲機導航試驗Fig.7 Navigation experiment of combine harvester

圖8 橫向偏差曲線Fig.8 Lateral deviation curves

4 結束語

設計了聯合收獲機CAN總線應用解決方案。建立了模塊化、可擴展的網絡結構，以ISO 11783標準為基礎，制定了聯合收獲機CAN總線通信協議，協議包括聯合收獲機的各個子系統，并且在網絡結構和通信協議上都具有大量可擴展空間。試驗結果表明，系統各條CAN總線負載率均小于30%，數據通過網關在不同CAN總線間的傳輸總延時小于1 ms。在小型履帶式聯合收獲機底盤自動導航中，對比了傳統單機控制方式，導航偏差基本保持一致，滿足聯合收獲機導航控制需求。