拖拉機CAN總線車載智能終端技術研究

王新忠，王 熙，王少農，莊衛東

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

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拖拉機CAN總線車載智能終端技術研究

王新忠，王 熙，王少農，莊衛東

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

為了將智能車載終端應用于大型拖拉機上，對拖拉機CAN總線車載智能終端技術進行了研究。該車載智能終端系統由農機CAN總線數據解析器及車載計算機等組成。農機CAN總線數據解析器根據ISO11783 農機CAN總線協議，對拖拉機作業產生的CAN數據進行解析，并使用VB6.0軟件編寫了車載計算機應用程序。該程序能夠對解析后的CAN數據進行處理、存儲、傳輸和顯示。車載智能終端具有拖拉機作業參數實時監測、作業軌跡顯示、虛擬儀表等功能，能夠輔助駕駛操作和精準管理。

拖拉機；CAN總線；智能終端；作業監測

0 引言

現代化大型拖拉機安裝有CAN總線系統，并有與之配套的車載智能終端，實時監測拖拉機的運行狀態，方便對其進行管理和操作。

筆者設計了一種基于CAN總線的拖拉機車載智能終端，可以用于大型拖拉機作業監測。車載智能終端集車載計算機、網絡通信、軟件編程等技術為一體，通過對軟件和硬件的配置，超越傳統農機儀表的功能，具有圖形及數字混合顯示、虛擬儀表及操作方便等特點。

20世紀80年代,德國博世(BOSCH)公司為實現車輛電子設備之間數據通信互聯而開發了一種串行數據通信總線，即CAN(Controller Area Network)。因為CAN的拓撲結構在ISO有關標準中為總線式，所以稱之為CAN總線[1]。

隨著農機信息化和智能化水平的不斷提升，其數據通信協議標準化程度越來越高，以減少互聯成本和增加產品的適用性。ISO 11783農機CAN總線是大型農機與農機具之間進行通信與管理的國際標準總線接口。其目的是要實現不同國家和不同品牌的農業機械之間的兼容性和標準化，使其能夠使用相同的標準總線協議。例如，起壟播種作業時需要同時使用衛星導航自動駕駛系統和播種監控系統，這可能需要兩個顯示終端進行操作。拖拉機CAN總線車載智能終端提供了一個統一的作業數據通信及監控管理平臺，不再需要為每一個農機具配備不同的控制終端，只需一個單獨的拖拉機CAN總線車載智能終端，即可實現同時對不同的農機具進行監視和控制[2]。

拖拉機CAN總線車載智能終端(見圖1)還可以實現使用一個智能終端對不同品牌的農機具進行監視、操作、控制和設置。這意味著可以使用ISO-11783 BUS通用連接設備，實現“即插即用”，而無需為拖拉機準備多個協議插頭和轉換器。因此，拖拉機CAN總線車載智能終端特別適用于使用不同國家、不同品牌的農機具進行整地、起壟、播種、中耕、噴施和收獲作業，為實現農機信息標準化提供了技術裝備基礎，也為農機作業管理提供了便利條件[3]。

圖1 拖拉機CAN總線車載智能終端

1 國內外主要農機智能終端

1.1 國外主要農機智能終端

目前，國際上農機CAN總線智能終端主要為美國約翰迪爾(John Deere)公司的GreenStar系列智能終端、美國凱斯(CASE)公司AFS系列智能終端和格蘭(Kverneland)公司的ISO Match Tellus系列智能終端。

1)美國約翰迪爾公司智能終端。美國約翰迪爾公司Green Star系列CAN總線車載智能終端可以過AEF(ISO BUS農業生產電子基金會)的授權，使用ISO Task Control功能控制第三方機具。其具有視頻監控功能，能夠通過攝像頭在駕駛室內對農機具作業情況進行視頻監控，也可以通過遠程無線網絡監控，隨時了解農機作業狀態。

2)美國凱斯公司智能終端。美國凱斯公司AFS系列智能終端能夠通過其特有的AFS監控接口兼容絕大多數品牌的具有CAN總線接口的農機具。農機作業人員可以利用智能終端中的AFS軟件地理信息功能，對作業地塊進行進一步的了解，使其可以根據作業地塊實際情況對農機具進行設定，從而達到精確作業的目的。

3)挪威格蘭公司智能終端。挪威格蘭公司ISO Match Tellus車載CAN總線智能終端能夠同時連接兩個ISO-11783 CAN BUS接口，可同時對兩個接口的數據進行解析。其中，一個CAN接口可以對非格蘭品牌拖拉機ECU數據進行解析，另一個CAN接口可以連接格蘭GPS接收機或其他品牌的GPS接收機。

1.2 國內農機智能終端

1)司南公司農機智能終端。司南公司農機智能終端用于衛星導航自動駕駛，是集用戶界面顯示、作業數據顯示、作業模式調整等功能于一體的綜合性農機智能終端。該終端能夠自動計算作業面積，可進行田塊資料儲存，便于隨時查閱，不必每年規劃行走作業路線，為各個環節的農機作業如翻地、耙地、旋耕、起壟、播種、噴藥、收獲等提供衛星導航幫助。

2)中海達公司農機智能終端。中海達公司農機智能終端采用一體化設計。內置北斗衛星導航定位系統，采用其獨有的Smart Heading等多項專利技術，導航定位精度為2cm，標配8英寸高亮液晶觸摸屏，實現對農機駕駛數據的顯示和農機駕駛的操控；采用工業級三防設計，可在嚴酷環境下使用。

2 車載智能終端總體設計

針對黑龍江墾區廣泛使用進口大型拖拉機進行大規?，F代化農機生產作業的情況，黑龍江八一農墾大學精準農業技術研究中心研制了拖拉機CAN總線車載智能終端，主要應用在具有CAN總線接口的進口大型拖拉機上。

拖拉機CAN總線系統及車載智能終端在拖拉機中的布置如圖2所示。拖拉機內部的發動機ECU、變速箱ECU及后懸掛ECU組成的CAN總線網絡，采集拖拉機作業CAN總線數據，通過農機CAN總線數據解析器對CAN數據進行篩選和解析；通過RS-232串口通信接口傳輸到車載計算機中，同時作業數據可以在車載計算機中進行存儲，或者通過遠程無線傳輸模塊傳輸到互聯網服務器數據庫中。其可以處理、分析作業數據，并顯示、打印所需的曲線或報表，使其應用性大為提高[4]。

1.車載計算機 2.農機CAN總線網橋 3.發動機ECU 4.變速箱ECU 5.后懸掛ECU

車載計算機作為拖拉機CAN總線智能終端中的控制和顯示終端，主要擁有以下功能：

1)作業數據通信。車載計算機通過RS-232接口與CAN總線數據解析器相連，CAN總線數據解析器通過ISO-CAN BUS接口與拖拉機內部CAN總線進行數據通信。

2)作業數據處理和顯示。車載計算機內的軟件對接收到的作業數據進行處理，并通過液晶觸控顯示器對拖拉機作業數據進行顯示，使其顯示更加直觀、簡潔，方便操作人員對農機作業情況的了解。

3 車載智能終端硬件

拖拉機CAN總線車載智能終端硬件部分主要分為上位機(車載計算機)和下位機(以單片計算機為核心的CAN總線數據解析器)。車載計算機負責作業數據處理與顯示，CAN總線數據解析器負責CAN數據的采集、篩選及解析，如圖3所示。

為了采集和解析拖拉機CAN總線數據信息，黑龍江八一農墾大學精準農業技術研究中心研制了CAN總線數據解析器，用于采集、篩選及解析拖拉機CAN總線數據。

圖3 拖拉機CAN總線車載智能終端系統框圖

3.1 CAN總線數據解析器

CAN總線數據解析器主要由CAN數據提取電路、CAN數據解析電路、RS-232串口數據轉換電路、看門狗及復位電路及穩壓電路等組成，如圖4所示。

SJA1000芯片用于拖拉機CAN總線數據采集，拖拉機CAN總線數據通過SJA1000芯片傳送到單片計算機進行數據采集[5]。

圖4 農機CAN總線數據解析器

STC89C52RC單片機為農機CAN總線數據解析器核心，具有低功耗、高性能及成本低廉的特點，可采用Keil C軟件進行編程等。

單片計算機對采集到的CAN數據根據ISO 11783農機CAN總線協議，進行相應的ID篩選，得到發動機轉速、發動機油耗、發動機負荷、發動機工作小時數、經緯度、高程、拖拉機懸掛位置、當前日前及時間等信息數據幀，并按照協議進行具體實際參數值的解析，從而得到拖拉機作業時各具體參數值；然后，通過RS-232串口輸出到車載計算機中[6]。

3.2 車載計算機

車載計算機是拖拉機CAN總線智能終端系統中的處理、顯示及操作部分，集處理、存儲、顯示、輸入輸出等功能于一體，可以方便、快捷地對拖拉機CAN總線數據進行處理和顯示。

選用臺灣新漢公司VMC1000型車載計算機，如圖5所示。該機采用一體機設計，7英寸LED背光液晶觸控屏幕，安裝有Win XP操作系統，緊湊無風扇設計,鋁合金外殼，采用1.0GHz Intel?AtomTME640處理器,1GB內存,寬電壓6～36V直流電源輸入。

圖5 臺灣新漢公司VMC1000型車載計算機

VMC1000型車載計算機采用鋁合金外殼，比較堅固，不容易被損壞；采用全封閉結構，具有良好的“三防”(防水、防潮、防塵)性能，適合在惡劣的作業環境中使用。

因為VMC1000型車載計算機只有RS-232接口，沒有CAN總線接口，無法直接接受CAN數據，所以需要CAN總線數據解析器進行采集、篩選和解析后通過RS-232串口傳輸到車載計算機中。

4 車載智能終端軟件

拖拉機CAN總車載線智能終端中的VMC1000型車載計算機使用Win XP操作系統，因此車載計算機使用了VB6.0軟件進行程序設計。VB6.0軟件是一款簡單、易用的可視化軟件開發平臺，主要由初始化主程序模塊、作業數據處理顯示存儲程序模塊及虛擬儀表顯示程序模塊等成[7]。

4.1 作業數據處理顯示存儲程序模塊

車載計算機通過作業數據處理顯示存儲程序模塊，對拖拉機作業數據進行處理顯示和存儲，程序流程框圖如圖6所示。作業數據處理顯示和存儲包括串行數據串數據提取、經緯度坐標轉換、作業數據顯示、作業軌跡顯示及作業數據存儲等。

利用VB6.0軟件提供的MSComm通信控件編寫RS232串口通信程序,完成了上位機(車載計算機)與下位機(以單片計算機為核心的CAN總線數據解析器)之間的RS-232串行口通信[8]。

圖6 車載計算機程序流程框圖

軟件界面中的RS-232數據接收區可顯示通過CAN總線數據解析器轉換后的作業數據，可顯示拖拉機作業時的日期、時間、經緯度、高程、發動機油耗及發動機轉速等實際作業數據。這些數據還可以通過遠程無線傳輸模塊傳送到主控制中心進行同步大屏幕顯示，方便管理者進行遠程管理。

現代大型拖拉機上安裝有GPS接收機，GPS接收機具有CAN總線接口，因此CAN總線中有經度、緯度、高程、當前日期及時間等信息；通過軟件對以上信息進行處理，不僅能對拖拉機進行導航定位，還能夠根據經緯度信息繪制出拖拉機作業行走軌跡圖，如圖7所示。該軌跡圖能夠實時顯示作業軌跡，同時根據作業地塊面積大小進行實時縮放調整，能夠更好地輔助駕駛員進行作業。

圖7 作業數據及作業軌跡顯示

4.2 虛擬儀表顯示程序模塊

為了將拖拉機作業時的油耗、轉速等數據的顯示更加直觀、簡便、易于理解，本系統使用VB6.0軟件設計了基于車載計算機的虛擬儀表顯示程序模塊。虛擬儀表具有智能化程度高、成本低、操作簡單等優點，設計者可以根據實際應用需求對虛擬儀表進行設計與集成。

首先在VB6.0源程序中添加ActiveX控件，并根據拖拉機儀表盤的外形及量程對其進行修改；然后，在代碼編輯窗口中輸入程序代碼完成虛擬儀表指針轉動角度的設計。車載計算機中運行的虛擬儀表如圖8所示。

圖8 虛擬儀表

5 車載智能終端測試試驗

為了驗證拖拉機CAN總線車載智能終端的實際使用效果，對其進行了測試試驗，如圖9所示。

圖9 車載智能終端測試試驗

使用農機CAN總線數據記錄回放儀播放2015年6月黑龍江省榮軍農場約翰迪爾7830型拖拉機作業時所記錄的CAN總線數據信號，向CAN總線數據解析器發送約翰迪爾7830型拖拉機作業CAN總線數據。CAN總線數據解析器根據的CAN數據ID編號判別其發送優先級,按照優先級從高到低的順序進行采集、篩選和解析；然后將解析后的數據發送給車載計算機,車載計算機接收來自CAN總線數據解析器串口的信息,在車載計算機液晶顯示器上顯示出來[9]。

測試表明：該智能終端具有良好的人機交互界面，運行穩定，性能可靠，較好地解決了車載計算機與拖拉機CAN總線實時通訊問題，實現了拖拉機CAN總線車載智能終端對拖拉機作業運行狀態的實時監控[10]。

6 結論

1)針對車載計算機與拖拉機CAN總線通訊的問題，設計出了基于STC89C52RC單片機的CAN總線數據采集解析器，實現了對拖拉機作業的實時監控，完成了對拖拉機作業實時CAN總線數據采集、篩選、解析等。

2)開發了基于車載計算機的應用軟件，利用VB6.0軟件可視化編程和串口鏈接功能，編寫具有RS-232數據通信、數據處理、數據和作業軌跡顯示、數據存儲、虛擬儀表等功能的軟件。

[1] 崔巍.基于CAN總線技術的智能汽車系統的設計[J].裝備制造技術,2012(8):263-265.

[2] 張飛，趙剡水.基于ISO11783標準的農業車輛CAN總線通訊原理與應用[J].河南科技大學學報:自然科學版，2008(1):39 -42．

[3] 魯植雄，王文偉，袁越陽.基于CAN總線的拖拉機虛擬儀表系統設計[J].農業裝備與車輛工程,2010(2):3-6.

[4] 紀朝鳳，劉剛，周建軍，等.基于CAN總線的農業車輛自動導航控制系統[J].農業機械學報,2009(S1):28-32.

[5] 劉傳茂，王熙.基于CAN總線的拖拉機作業數據解析[J].農機化研究,2015,37(10):254-257.

[6] 李俐，謝顯中.基于CAN總線的行車記錄儀設計[J].計算機工程與設計,2009(22):5120-5123.

[7] 王少農，王熙.農業機械遠程監控管理信息系統研究[J].農機化研究,2015,37(6):264-268.

[8] 周慶貴.基于VB編程環境數據采集系統的設計[J].測控技術,2008(4):62-64.

[9] 田輝輝，王熙．基于CAN總線的農業溫度監測系統設計[J].農機化研究,2013,35(6):174-178.

[10] 田輝輝,王熙,林二東.CAN總線在大豆精播機播種監測系統中的應用[J].農機化研究,2015,37(1):223-227.

Research on the Technology of CAN Bus on Vehicle Intelligence Terminal for Tractor

Wang Xinzhong, Wang Xi, Wang Shaonong, Zhuang Weidong

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

In order to apply intelligent vehicle terminal to the heavy tractor, the intelligent terminal technology of CAN bus is studied.The vehicle intelligent terminal system is composed of a CAN bus data parser,a vehicle mounted computer, and the like. Agricultural machinery can bus data parser based on iso11783 agricultural can bus protocol, on tractor can data analysis, and uses VB6.0 software to compile the on-board computer application program, the program can and processing, storage, transmission and display of can parse the data. The vehicle intelligent terminal has the function of real-time monitoring, working track display,virtual instrument and so on,which can carry on the assistant driving operation and the precision management.

tractor; CAN bus; intelligent terminal; operation monitoring

2016-01-22

“十二五”國家高技術研究發展計劃項目(2013AA040401)；黑龍江省大慶市項目(szdfy-2015-28)

王新忠(1963-)，女，河北玉田人，教授，(E-mail)ndwxz@126.com。

S219.033

A

1003-188X(2017)02-0210-05