青贮饲料收获机CAN总线数据虚拟信号发生器设计研究

2019-03-22狄小冬王新忠庄卫东王德福

江苏农业科学 2019年24期

狄小冬，王熙，王新忠，庄卫东，王德福，董欣

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆 163319；2.东北农业大学工程学院，黑龙江哈尔滨 150030）

近年来，青贮饲料收获机控制器局域网络（CAN）总线技术发展迅速，为了代替真实柴油发动机，在实验室内进行CAN总线车载显示终端的模拟测试试验，有必要研究设计青贮饲料收获机发动机CAN总线数据虚拟信号发生器。

使用CAN总线数据虚拟信号发生器，技术人员可以不用到青贮饲料收获机现场，没有青贮饲料收获机，在实验室内即可对车载显示终端进行模拟测试试验，节约测试试验成本，提高试验效率，使用灵活方便。修改CAN总线数据虚拟信号发生器程序后，也可以扩展应用到其他收获机或拖拉机上。

CAN总线为分散式控制系统，实现每个节点之间实时网络数据通信，使青贮饲料收获机虚拟信号发生器向网络输出CAN数据成为可能［1-4］。目前，国内对CAN总线的研究较多，但关于青贮饲料收获机CAN总线相关技术研究较少［5-7］，因此关于青贮饲料收获机柴油发动机CAN总线数据虚拟信号发生器的研究具有一定的应用价值。

本研究以牧神4QZ-3000A型自走式青贮饲料收获机（图1）为平台，该收获机采用中国重汽杭发斯太尔D1031AT30型柴油发动机，研究开发一种基于青贮饲料收获机CAN数据解析的柴油发动机虚拟信号发生器。从软硬件设计、总线通信协议的选择及报文格式和总体系统的设计等方面进一步完善，旨在代替真实发动机，完成相关模拟测试试验研究。

1 农机CAN总线

1986年，德国汽车电子公司起初在汽车电子控制系统方面研发了汽车总线，即CAN总线［8］。CAN总线目前是广泛应用在车辆、工业、船舶等领域的一种通信网络，在国内外得到高度的认可。在20世纪末，国际标准化组织（ISO）将通信标准协议SAE J1939定义为农业和林业机械的标准通信规范和接口，对农业林业机具、拖拉机串口通信方式及总线的网络协议制定了相关原则［9］。在国内，CAN总线已逐渐应用于农业机械车辆。CAN总线是国际标准中唯一的串行现场总线，具有高性能、高可靠性、易开发和低成本的特点［10］，CAN总线的通信距离相对于其他通信网络长且灵活，通信距离最长可达10 km（在10 km距离下仍可提供5 kbit/s的数据传输速率），最大的传输速度可达1 Mbit/s（在最大的传输速度下通信距离最长为40 m）［11］。

2 SAE J1939协议

2.1 SAE J1939协议与CAN总线

国际标准化组织（ISO）根据SAE J1939和DIN9684规定了农用车辆网络通信国标［12］。SAE J1939协议对传感器等部件进行了定义，对数据传输的协议和格式等进行了规定，其采用CAN总线作为部件之间的网络通信标准总线。

SAE J1939协议以CAN底层协议为基础实现的高层协议，根据现代农业的发展需求，尤其是精准农业领域的未来发展走向，放弃农林机械中使用点对点的单通信方式，摒弃拖拉机上繁琐的布线系统，国际标准化组织规范了SAE J1939协议。该协议是基于CAN 2.0B［13］，并应用于农业机械、拖拉机串行控制等网络通信协议，标准为不同类型的农机具之间信息的互换提供了技术支持，允许农林车辆上的部件之间进行数据共享，并规范了农林机械中不同参数的定义和表示方式。标准的关键组成部分包括应用层传输信息、拖拉机、电子控制单元、控制器、信息管理系统和数据字典等部分［14］。

在CAN总线报文格式内，是通过4种不同帧和1个帧间隔，包括数据帧、远程帧、错误帧、超载帧和帧间隔，完成节点与节点之间的报文信息的传入和传出［15］。

CAN 2.0B协议规范中定义了2种信息帧即标准帧与扩展帧格式。标准帧的格式有11位ID，而扩展帧的格式有29位ID，但是信息帧的规范形式，是以SAE J1939协议中扩展帧的格式指定的。相较于信息帧格式，SAE J1939协议选取PDU来定义，PDU为数据协议单元。在SAE J1939协议中，PDU数据格式由指定的PDU（目标地址DA、组扩展GE）、Priority（P）、Researd（R）、源地址（SA）、Data Page（DP）、PDU Format（PF）和数据域［16］构成。CAN扩展帧的格式与SAE J1939协议之间的对应关系见表1。

表1 CAN扩展帧的格式与SAE J1939协议的对应关系

2.2 SAE J1939协议中柴油发动机转速的报文格式

本研究解析所需原始数据均为牧神4QZ-3000A型自走式青贮饲料收获机作业时采集到的CAN总线数据。运用CAN总线数据采集记录仪，对青贮饲料收获机在田间作业时的经度、纬度、高程、燃油消耗量、柴油发动机转速等信息进行采集和记录，并根据SAE J1939协议对柴油发动机转速数据进行解析，CAN总线接收存储的报文格式见表2。

表2 CAN总线接收存储的报文格式

对于接收的报文数据，须要依据SAE J1939协议的定义对其解析：涵盖了SAE J1939协议中1个帧的标志符和数据。其中：ID＝0x0CFEE61C＝0000，1100，1111，1110，1110，0110，0001，1100；ID数据中前3位数据被忽略，PGN包括保留位（R）：0；数据帧位（DP）：0；协议数据单元（PF）：FE；扩展单元（PS）：E6；去掉优先级（P）3位和源地址（SA）8位得PGN＝0000，1100，1111，1110，1110，0110，1100＝OxFEF6（H）＝65264（D）。

按照上述方法可知，ID号为0x0CF004F，其中00xF004＝61444（参数组号码），61444是转换后的数据，该参数组是柴油发动机控制器1参数组，柴油发动机参数定义见表3。

例如：0x0CF004F0，1，8，0xFE，0xFF，0x9B，0xA5，0x12，0xFF，0xFF，0xFF，发动机转矩模式不可用，原始值0x9B＝155（十进制），实际值等于155×1%-125% ＝30%，即实际的柴油发动机转矩比例为30%，原始值0x12A5＝4 773（十进制），实际值等于4 773×0.125+0＝596.625 r/min，即柴油发动机转速为596.625 r/min。

3 系统设计

为了实现整个系统对青贮饲料收获机发动机信号的模拟，通过RS232实现串口通信功能，将模拟的青贮饲料收获机发动机信号输送到CAN总线，车载显示终端接收从CAN总线发送的数据并驱动车载显示终端进行响应。

表3 柴油发动机参数定义

3.1 系统硬件设计

系统硬件由台式计算机、RS232-CAN转换器、青贮饲料收获机车载显示终端、SAE J1939接口、CAN数据电缆线束等组成（图2）。

系统的上位机选用台式计算机，上位机操作系统为Windows 7系统，实现串口通信、参数调节等功能。车载显示终端选用KPL-ALPHA3101型车载终端，其是郑州开普勒测控技术股份有限公司自主研发的一款CAN总线车载终端，主要针对农用机械、工程机械、其他特种车辆所配套的10.1英寸车载终端显示器，工作电压9～32 V，功耗≤9W，安装方式为外挂，通信接口为1路CAN2.0B/多路外设接口。

转换器型号选用千目电子RS232-CAN-E1转换器。RS232-CAN转换器有1路RS232接口和1路CAN接口，对于CAN总线V2.0A与V2.0B技术标准完全支持（图3）。RS232-CAN转换器的2种工作模式为：（1）调试模式。在此模式下可以使用转换器调试软件进行接收发送CAN数据，并且能设定透传模式的参数等操作。（2）透传模式。可脱离调试转件使用，实现RS232串口和CAN之间的直接转换，共有5种工作方式可以选择。通过VB、VC和DELPHI等编程语言中的串口控件进行程序的开发。

稳压电源模块选用输入交流AC220 V，输出直流电压DC24 V，输出电流1.0 A。

3.2 系统软件设计

系统软件程序设计选择Visual Basic 6.0，其具有可视化界面设计平台、面向对象的设计方法等特点。

柴油发动机的转速CAN数据与燃油消耗量CAN数据均来自牧神4QZ-3000A型自走式青贮饲料收获机的CAN数据，以十六进制数据转换为十进制数据进行运算为核心，进行软件编程设计。其程序编程流程见图4。

软件的设计界面包括自动和手动2种模式，自动模式时，虚拟柴油发动机转速信号与柴油机燃油消耗量平稳升降；手动模式时，根据需求调整柴油发动机转速和燃油消耗量参数，使其实现柴油发动机信号的模拟，软件设计界面见图5。

4 试验研究

4.1 试验过程

在实验室首先将台式计算机与RS232-CAN转换器通过上位机RS232接口连接，转换器外接电源。RS232-CAN转换器、远程控制器分别与CAN总线接头连接，车载显示终端与CAN总线接头连接，完成通信。台式计算机虚拟CAN总线数据程序产生青贮饲料收获机柴油发动机信号，输出柴油发动机CAN总线数据到车载显示终端。试验装置见图6。