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摘要：为了提高设施大棚机械化作业的效率和精度，提出基于控制器局域网络（controller area network，CAN）
总线的自主导航分布式控制结构并进行节点的设计。系统采用主-从分布式控制结构，以嵌入式控制器作为主控节点采集GPS数据和电子罗盘数据，从而决策适当的控制指令；以单片机控制作为功能节点，实现对微耕机的转向、变速和升降机具的控制。基于ISO11783标准设计了导航系统CAN通信协议，系统通讯测试结果表明，该通讯系统能够满足基本功能要求且工作稳定可靠。
关键词：分布式控制；自动导航；CAN总线；温室大棚；微耕机；ISO11783标准
中图分类号： S237；TP273文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0365-03
收稿日期：2013-12-09
基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（13）5065]。
作者简介：陶建平（1983—），男，江苏南京人，硕士，助理研究员，主要从事智能农业设施与装备的研究工作。E-mail：taojianping2009@gmail.com。设施农业机械化的发展已经不仅仅是简单替代体力劳动的机械的发展，而更多的是向着智能化、精细化、集约化方向发展。温室大棚微型机械自动导航是精细农业的重要组成部分[1-2]，自动导航技术的应用可以减少重复作业，从而降低成本，减轻驾驶人员的工作负荷[3]。近些年来，国内外针对大田农业车辆自动导航的技术研究较多，而与大田相比，温室大棚内工作环境更为恶劣，因而为了降低工作人员的劳动强度，自动导航技术的使用具有更重要的意义。
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络[4]。在农业机械中应用控制器局域网络（controller area network，CAN）
总线技术，已经成为农业装备技术组成的重要方面。由于计算机技术、电子通信技术和控制技术在导航中的普遍应用，对传感器、控制单元和处理器之间的数据传输提出了新的要求，使得CAN总线在农业机械导航系统中得到应用[5]。将工控机或个人计算机用于农业机械导航控制系统，虽然在数据处理性能上具有优势，但是由于体积大、功耗大等问题，给安装带来了很多困难[6]。因此，嵌入式ARM处理器以其独特的优势（处理速度快、体积小、低功耗等特点）而获得了广泛的应用[7]。
本研究设计基于CAN总线的嵌入式ARM和单片机分布式控制网络，系统由1个主控节点和3个从节点组成。主控节点采用S3C6410芯片ARM11处理器，负责根据RTK GPS数据和电子罗盘数据决策适当的控制指令；3个从节点选用P87C591单片机，分别实现转向控制、变速控制以及微耕机升降机具的控制；根据CAN2.0总线协议制定数据通信协议，从而可为温室环境下农业机械的导航研究提供试验平台。
1自动导航控制系统CAN总线节点的设计
主控节点获取来自GPS和电子罗盘的实时数据，根据事先定义好的路径以及各功能节点传感器反馈的信息，通过导航算法计算出当前微耕机的航向偏差和横向偏差，再通过控制算法计算车辆的转角，最后由主控节点统一发送命令给各功能节点，各功能节点执行机构按要求完成相应动作，从而实现微耕机控制和自动导航。
1.1系统整体结构
系统主要由主控制器节点以及3个功能节点组成，详见图1。电子罗盘（Honeywell HMR3200）、GPS接收器（Trimble 5800）和ARM11（S3C6410）处理器组成导航系统的主控节点，并以ARM11为主控制器的主控制节点负责处理电子罗盘、GPS信息并根据当前的车轮转角、速度和微耕机具升降信息做出控制决策；功能节点由转向节点、变速节点、升降节点组成，以单片机为主控制器，实现各功能节点传感器信息的采集并接受主节点的命令，驱动直流电机实现转向、变速和微耕机具升降控制。
1.2主控制器节点设计
1.2.1硬件设计主控制器节点采用三星公司的ARM11处理器S3C6410芯片，拥有强大的内部资源和数据处理能力，可稳定运行在667MHz主频以上，由于S3C6410本身并不带有CAN接口，因此可通过其一路SPI接口连接MCP2510扩展实现CAN总线接口。MCP2510是一种带有SPI接口的CAN控制器，它支持CAN技术规范V2.OA/B，能够发送或接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能，通过SPI接口与主控芯片进行数据传输，最高传输速率可达 5 Mb/s。这些特点使得主控芯片对CAN总线的操作变得非常简便。
选用带屏蔽双绞线作为CAN总线通信介质，屏蔽网接地。其中转向控制节点和微耕机具升降控制节点上各接有1个120Ω电阻，作为CAN线路的匹配电阻，以减少噪声、避免振荡、防止过冲。在各功能节点串联应用的情况下，串联的终端电阻和信号线的分布电容以及后级电路的输入电容组成RC滤波器，以消弱信号边沿的陡峭程度，防止过冲。
1.2.2主控制器节点的功能及实现导航系统主控制器节点通过采集GPS和电子罗盘等导航数据决策当前跟踪的路径，计算出微耕机的转向、速度控制量并根据设定控制耕作机升降机具，将控制命令通过CAN总线发送至功能节点，功能节点接收主控节点的命令，反馈当前状态信息并实时保存相关数据。主控制器控制流程如图2所示，程序首先获取GPS、电子罗盘和角度传感器数据，再计算出横向偏差和航向偏差。转向控制采用模糊控制的方法[8]，根据横向偏差E和航向偏差φ的大小和方向来进行转向控制，横向偏差、航向偏差是模糊控制器的输入，输出为前轮期望转角U，模糊控制可以近似为：
U=-<αE+（1-α）φ> （α∈[0，1]）。
式中：α为调整因子；E为位置偏差；φ为航向偏差；“<>”表示取最小整数。 通过调整α的值，可以改变位置偏差E和航向偏差φ的加权程度。通过模糊控制可以得到转动控制量，组织数据帧发送到功能节点控制器。
主控制节点程序主要包括1个主函数和1个CAN数据接收中断函数。程序中使用1个标志来记录当前CAN总线有没有接收到数据。主程序完成初始化后，每次中断服务程序均读取导航传感器数据，随后判断控制量刷新周期是否已到，若未到则结束，否则进行控制量计算，刷新控制量输出并保存当前相关数据，程序流程如图3所示。
1.3功能节点设计
功能节点包括转向控制节点、变速控制节点和耕作机具升降控制节点，图4是功能节点控制硬件原理图，可以看出，该点节主要由MCU、收发器TJA1050和电压转换电路组成。
MCU选用1个单片8位高性能微控制器P87C591，具有片内CAN控制器。高速光电耦合器采用6N137，这样就很好地实现了总线上各节点的电气隔离。为了提高数据通信的抗干扰性，总线的两端接有2个120 Ω的匹配电阻。TJA1050是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，是一种标准的高速CAN收发器。TJA1050可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。
在功能节点的设计中，TJA1050主要采取中断模式进行总线数据的接收和发送。整个系统主程序提供2种中断：定时器中断和外部中断。定时器中断的中断子程序主要负责处理来自模拟通道的数据，向TJA1050发送数据发送请求命令并发送数据；外部中断的中断处理子程序主要包括CAN总线错误处理子程序和数据接收子程序。
2基于IOS 11783的CAN协议设计
2.1IOS 11783的标准结构
ISO 11783是一种农林业机械专用的总线标准。ISO 11783标准参照SAE J1939和DIN 9684标准，以控制局域网总线协议，即CAN 2.0B作为网络协议，规定了CAN总线在农机上应用的高层协议[9]。ISO 11783可分为应用层、网络层、数据链路层、物理层，并采取定义地址的手段防止多个控制器使用相同的CAN标志符。ISO 11783采用协议数据单元PDU来定义信息帧格式，在传输过程中，先将PDU分隔成一个或多个CAN数据帧，然后通过物理介质传输到其他网络挂接设备上。ISO 11783PDU数据格式由7个部分构成：优先权（priority，P）、保留位（reserved，R）、数据页（data page，DP）、PDU格式（PDU format，PF）、特定PDU（目标地址、组扩展或专用）、源地址（SA）和数据域。按照标准主控节点及3个功能节点的源地址分配见表1。
根据CAN协议的仲裁机制，报文ID号越小的节点具有越高的优先权，当功能节点同时发送反馈信息时，优先级高的先发送，其他节点退出总线[10]。因此，各功能节点优先级顺序由高到低依次为：转向控制节点、变速控制节点、微耕机具升降控制节点。
2.2应用层通信协议设计
系统采用单帧格式，每帧有8个字节，详见表2。
表2应用层协议
字节含义1命令2方向3速度4升降5保留6保留7保留8保留
每一帧包含转向、速度和升降参数命令，其中转向控制节点使用前需要进行标定，根据主控制节点发送的命令执行不同操作。
3结果与分析
分布式网络控制系统综合性能不仅与控制器的设计有关，还与网络服务质量（quality of service，QoS）紧密相关[11]。在控制系统中，采样周期和网络延迟对控制系统性能有较大影响，本试验中将网络传输时延作为主要的测试指标。CAN通信中总线有显式或者隐式2种状态。总线上有1个节点输出的为显式状态，总线上所有节点均输出的为隐式状态。导航控制系统采用ISO 11783通信协议，依据ISO 11783规定，每个消息帧的PDU设定了发送节点唯一的标识符和优先级，这样在传输过程中，具有较高优先级的信息帧赢得仲裁，而较低优先级的信息帧改为只听模式，等待总线空闲再尝试发送。
总线上一条报文从生成到目的节点接收到的总时间包括数据生成延迟、仲裁延迟、传输延迟、接收数据延迟以及功能节点中光耦6N137的延迟。经过8 h连续测试，取各节点样本最小延迟时间Dn、最大延迟时间Dm和平均延迟时间Da作为测试指标，结果见表3。可以看出，主控节点和各功能节点的反应时间都在2 ms左右内，满足实时性要求。
4结论
针对温室大棚的微型耕作机导航系统进行了基于CAN
总线的节点设计，控制系统采用分布式控制结构，以ARM11处理器S3C6410芯片作为主控制器节点，选用P87C591芯片作为功能节点，基于CAN总线对各节点进行了软件和硬件的设计，并基于ISO 11783标准设计了导航系统通信协议。系统网络性能测试表明，导航系统通信能够满足实时性要求且工作稳定可靠，从而为进一步的研究奠定了基础。
参考文献：
[1]汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新[J]. 农业工程学报，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.自动导航技术在农业工程中的应用研究进展[J]. 农业工程学报，2006，22（9）：232-236.
[4]武洪恩，张承瑞，胡天亮. 基于现场总线的软件化开放式CNC体系结构[J]. 山东大学学报：工学版，2007，37（2）：12-15，20.
[5]安秋，姬长英，周俊，等. 基于CAN总线的农业移动机器人分布式控制网络[J]. 农业机械学报，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，王军政，徐山峰. 基于ARM9的嵌入式控制系统设计与实现[J]. 微计算机信息，2008，24（22）：1-3.
[8]周建军，张漫，汪懋华，等. 基于模糊控制的农用车辆路线跟踪[J]. 农业机械学报，2009，40（4）：151-156.
[9]宋岩，徐皑冬，杨为民. 农机总线ISO 11783网络技术研究[J]. 拖拉机与农用运输车，2007，34（1）：80-82.
[10]饶运涛，邹继军，郑勇芸. 现场总线CAN原理与应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[11]牛云，吴旭光. 分布式网络化控制系统优化协同设计[J]. 计算机测量与控制，2011，19（3）：571-574.杨欣，颜伟，朱银，等. 江苏省农业种质资源中期库种子活力监测系统的初步设计[J]. 江苏农业科学，2014，42（9）：368-370.
总线的自主导航分布式控制结构并进行节点的设计。系统采用主-从分布式控制结构，以嵌入式控制器作为主控节点采集GPS数据和电子罗盘数据，从而决策适当的控制指令；以单片机控制作为功能节点，实现对微耕机的转向、变速和升降机具的控制。基于ISO11783标准设计了导航系统CAN通信协议，系统通讯测试结果表明，该通讯系统能够满足基本功能要求且工作稳定可靠。
关键词：分布式控制；自动导航；CAN总线；温室大棚；微耕机；ISO11783标准
中图分类号： S237；TP273文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0365-03
收稿日期：2013-12-09
基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（13）5065]。
作者简介：陶建平（1983—），男，江苏南京人，硕士，助理研究员，主要从事智能农业设施与装备的研究工作。E-mail：taojianping2009@gmail.com。设施农业机械化的发展已经不仅仅是简单替代体力劳动的机械的发展，而更多的是向着智能化、精细化、集约化方向发展。温室大棚微型机械自动导航是精细农业的重要组成部分[1-2]，自动导航技术的应用可以减少重复作业，从而降低成本，减轻驾驶人员的工作负荷[3]。近些年来，国内外针对大田农业车辆自动导航的技术研究较多，而与大田相比，温室大棚内工作环境更为恶劣，因而为了降低工作人员的劳动强度，自动导航技术的使用具有更重要的意义。
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络[4]。在农业机械中应用控制器局域网络（controller area network，CAN）
总线技术，已经成为农业装备技术组成的重要方面。由于计算机技术、电子通信技术和控制技术在导航中的普遍应用，对传感器、控制单元和处理器之间的数据传输提出了新的要求，使得CAN总线在农业机械导航系统中得到应用[5]。将工控机或个人计算机用于农业机械导航控制系统，虽然在数据处理性能上具有优势，但是由于体积大、功耗大等问题，给安装带来了很多困难[6]。因此，嵌入式ARM处理器以其独特的优势（处理速度快、体积小、低功耗等特点）而获得了广泛的应用[7]。
本研究设计基于CAN总线的嵌入式ARM和单片机分布式控制网络，系统由1个主控节点和3个从节点组成。主控节点采用S3C6410芯片ARM11处理器，负责根据RTK GPS数据和电子罗盘数据决策适当的控制指令；3个从节点选用P87C591单片机，分别实现转向控制、变速控制以及微耕机升降机具的控制；根据CAN2.0总线协议制定数据通信协议，从而可为温室环境下农业机械的导航研究提供试验平台。
1自动导航控制系统CAN总线节点的设计
主控节点获取来自GPS和电子罗盘的实时数据，根据事先定义好的路径以及各功能节点传感器反馈的信息，通过导航算法计算出当前微耕机的航向偏差和横向偏差，再通过控制算法计算车辆的转角，最后由主控节点统一发送命令给各功能节点，各功能节点执行机构按要求完成相应动作，从而实现微耕机控制和自动导航。
1.1系统整体结构
系统主要由主控制器节点以及3个功能节点组成，详见图1。电子罗盘（Honeywell HMR3200）、GPS接收器（Trimble 5800）和ARM11（S3C6410）处理器组成导航系统的主控节点，并以ARM11为主控制器的主控制节点负责处理电子罗盘、GPS信息并根据当前的车轮转角、速度和微耕机具升降信息做出控制决策；功能节点由转向节点、变速节点、升降节点组成，以单片机为主控制器，实现各功能节点传感器信息的采集并接受主节点的命令，驱动直流电机实现转向、变速和微耕机具升降控制。
1.2主控制器节点设计
1.2.1硬件设计主控制器节点采用三星公司的ARM11处理器S3C6410芯片，拥有强大的内部资源和数据处理能力，可稳定运行在667MHz主频以上，由于S3C6410本身并不带有CAN接口，因此可通过其一路SPI接口连接MCP2510扩展实现CAN总线接口。MCP2510是一种带有SPI接口的CAN控制器，它支持CAN技术规范V2.OA/B，能够发送或接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能，通过SPI接口与主控芯片进行数据传输，最高传输速率可达 5 Mb/s。这些特点使得主控芯片对CAN总线的操作变得非常简便。
选用带屏蔽双绞线作为CAN总线通信介质，屏蔽网接地。其中转向控制节点和微耕机具升降控制节点上各接有1个120Ω电阻，作为CAN线路的匹配电阻，以减少噪声、避免振荡、防止过冲。在各功能节点串联应用的情况下，串联的终端电阻和信号线的分布电容以及后级电路的输入电容组成RC滤波器，以消弱信号边沿的陡峭程度，防止过冲。
1.2.2主控制器节点的功能及实现导航系统主控制器节点通过采集GPS和电子罗盘等导航数据决策当前跟踪的路径，计算出微耕机的转向、速度控制量并根据设定控制耕作机升降机具，将控制命令通过CAN总线发送至功能节点，功能节点接收主控节点的命令，反馈当前状态信息并实时保存相关数据。主控制器控制流程如图2所示，程序首先获取GPS、电子罗盘和角度传感器数据，再计算出横向偏差和航向偏差。转向控制采用模糊控制的方法[8]，根据横向偏差E和航向偏差φ的大小和方向来进行转向控制，横向偏差、航向偏差是模糊控制器的输入，输出为前轮期望转角U，模糊控制可以近似为：
U=-<αE+（1-α）φ> （α∈[0，1]）。
式中：α为调整因子；E为位置偏差；φ为航向偏差；“<>”表示取最小整数。 通过调整α的值，可以改变位置偏差E和航向偏差φ的加权程度。通过模糊控制可以得到转动控制量，组织数据帧发送到功能节点控制器。
主控制节点程序主要包括1个主函数和1个CAN数据接收中断函数。程序中使用1个标志来记录当前CAN总线有没有接收到数据。主程序完成初始化后，每次中断服务程序均读取导航传感器数据，随后判断控制量刷新周期是否已到，若未到则结束，否则进行控制量计算，刷新控制量输出并保存当前相关数据，程序流程如图3所示。
1.3功能节点设计
功能节点包括转向控制节点、变速控制节点和耕作机具升降控制节点，图4是功能节点控制硬件原理图，可以看出，该点节主要由MCU、收发器TJA1050和电压转换电路组成。
MCU选用1个单片8位高性能微控制器P87C591，具有片内CAN控制器。高速光电耦合器采用6N137，这样就很好地实现了总线上各节点的电气隔离。为了提高数据通信的抗干扰性，总线的两端接有2个120 Ω的匹配电阻。TJA1050是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，是一种标准的高速CAN收发器。TJA1050可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。
在功能节点的设计中，TJA1050主要采取中断模式进行总线数据的接收和发送。整个系统主程序提供2种中断：定时器中断和外部中断。定时器中断的中断子程序主要负责处理来自模拟通道的数据，向TJA1050发送数据发送请求命令并发送数据；外部中断的中断处理子程序主要包括CAN总线错误处理子程序和数据接收子程序。
2基于IOS 11783的CAN协议设计
2.1IOS 11783的标准结构
ISO 11783是一种农林业机械专用的总线标准。ISO 11783标准参照SAE J1939和DIN 9684标准，以控制局域网总线协议，即CAN 2.0B作为网络协议，规定了CAN总线在农机上应用的高层协议[9]。ISO 11783可分为应用层、网络层、数据链路层、物理层，并采取定义地址的手段防止多个控制器使用相同的CAN标志符。ISO 11783采用协议数据单元PDU来定义信息帧格式，在传输过程中，先将PDU分隔成一个或多个CAN数据帧，然后通过物理介质传输到其他网络挂接设备上。ISO 11783PDU数据格式由7个部分构成：优先权（priority，P）、保留位（reserved，R）、数据页（data page，DP）、PDU格式（PDU format，PF）、特定PDU（目标地址、组扩展或专用）、源地址（SA）和数据域。按照标准主控节点及3个功能节点的源地址分配见表1。
根据CAN协议的仲裁机制，报文ID号越小的节点具有越高的优先权，当功能节点同时发送反馈信息时，优先级高的先发送，其他节点退出总线[10]。因此，各功能节点优先级顺序由高到低依次为：转向控制节点、变速控制节点、微耕机具升降控制节点。
2.2应用层通信协议设计
系统采用单帧格式，每帧有8个字节，详见表2。
表2应用层协议
字节含义1命令2方向3速度4升降5保留6保留7保留8保留
每一帧包含转向、速度和升降参数命令，其中转向控制节点使用前需要进行标定，根据主控制节点发送的命令执行不同操作。
3结果与分析
分布式网络控制系统综合性能不仅与控制器的设计有关，还与网络服务质量（quality of service，QoS）紧密相关[11]。在控制系统中，采样周期和网络延迟对控制系统性能有较大影响，本试验中将网络传输时延作为主要的测试指标。CAN通信中总线有显式或者隐式2种状态。总线上有1个节点输出的为显式状态，总线上所有节点均输出的为隐式状态。导航控制系统采用ISO 11783通信协议，依据ISO 11783规定，每个消息帧的PDU设定了发送节点唯一的标识符和优先级，这样在传输过程中，具有较高优先级的信息帧赢得仲裁，而较低优先级的信息帧改为只听模式，等待总线空闲再尝试发送。
总线上一条报文从生成到目的节点接收到的总时间包括数据生成延迟、仲裁延迟、传输延迟、接收数据延迟以及功能节点中光耦6N137的延迟。经过8 h连续测试，取各节点样本最小延迟时间Dn、最大延迟时间Dm和平均延迟时间Da作为测试指标，结果见表3。可以看出，主控节点和各功能节点的反应时间都在2 ms左右内，满足实时性要求。
4结论
针对温室大棚的微型耕作机导航系统进行了基于CAN
总线的节点设计，控制系统采用分布式控制结构，以ARM11处理器S3C6410芯片作为主控制器节点，选用P87C591芯片作为功能节点，基于CAN总线对各节点进行了软件和硬件的设计，并基于ISO 11783标准设计了导航系统通信协议。系统网络性能测试表明，导航系统通信能够满足实时性要求且工作稳定可靠，从而为进一步的研究奠定了基础。
参考文献：
[1]汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新[J]. 农业工程学报，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.自动导航技术在农业工程中的应用研究进展[J]. 农业工程学报，2006，22（9）：232-236.
[4]武洪恩，张承瑞，胡天亮. 基于现场总线的软件化开放式CNC体系结构[J]. 山东大学学报：工学版，2007，37（2）：12-15，20.
[5]安秋，姬长英，周俊，等. 基于CAN总线的农业移动机器人分布式控制网络[J]. 农业机械学报，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，王军政，徐山峰. 基于ARM9的嵌入式控制系统设计与实现[J]. 微计算机信息，2008，24（22）：1-3.
[8]周建军，张漫，汪懋华，等. 基于模糊控制的农用车辆路线跟踪[J]. 农业机械学报，2009，40（4）：151-156.
[9]宋岩，徐皑冬，杨为民. 农机总线ISO 11783网络技术研究[J]. 拖拉机与农用运输车，2007，34（1）：80-82.
[10]饶运涛，邹继军，郑勇芸. 现场总线CAN原理与应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[11]牛云，吴旭光. 分布式网络化控制系统优化协同设计[J]. 计算机测量与控制，2011，19（3）：571-574.杨欣，颜伟，朱银，等. 江苏省农业种质资源中期库种子活力监测系统的初步设计[J]. 江苏农业科学，2014，42（9）：368-370.