閆祥海，周志立，徐立友，張靜云

(河南科技大學(xué) 車(chē)輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

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拖拉機(jī)CAN通信技術(shù)研究與試驗(yàn)

閆祥海，周志立，徐立友，張靜云

(河南科技大學(xué) 車(chē)輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

摘要：針對(duì)拖拉機(jī)控制實(shí)時(shí)性低和產(chǎn)品間電氣匹配性差等問(wèn)題，以拖拉機(jī)電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)控制器為例，基于ISO 11783協(xié)議對(duì)其控制器局域網(wǎng)(CAN)接口硬件電路及應(yīng)用層通信協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了AMT_ECU與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。利用Allegro PCB軟件對(duì)控制器信號(hào)反射和串?dāng)_進(jìn)行了仿真分析，使用CANcaseXL接口卡將AMT控制器實(shí)物接入CAN。利用CANoe軟件建立數(shù)據(jù)庫(kù)、配置虛擬儀表，使用CAPL語(yǔ)言編程，搭建了以拖拉機(jī)AMT控制器為真實(shí)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，并對(duì)總線系統(tǒng)通信功能和負(fù)載率情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明：拖拉機(jī)AMT控制器CAN接口符合電氣硬件要求，可實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行CAN信息的發(fā)送與接收。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)；農(nóng)業(yè)裝備；通信網(wǎng)絡(luò)；半實(shí)物仿真

0引言

為了提高中國(guó)農(nóng)機(jī)裝備水平，加快農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化和智能化進(jìn)程，配備標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化的電子裝備變得日益重要。目前，中國(guó)農(nóng)機(jī)某些重要部件采用帶有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口的進(jìn)口設(shè)備，如何實(shí)現(xiàn)與其他國(guó)產(chǎn)部件的正常通信成為產(chǎn)品研制的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]。ISO 11783國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)農(nóng)林裝備、拖拉機(jī)串行控制及數(shù)據(jù)通信總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行了明確規(guī)范。采用控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線作為農(nóng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接的標(biāo)準(zhǔn)總線，對(duì)傳感器、控制部件、執(zhí)行器、信息存儲(chǔ)和顯示單元之間的數(shù)據(jù)傳輸格式和方法進(jìn)行了規(guī)定，可有效提高農(nóng)機(jī)各項(xiàng)性能，同時(shí)壓縮了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本[4-5]。

國(guó)外對(duì)CAN總線技術(shù)在農(nóng)機(jī)上的研究已趨于成熟，凱斯紐荷蘭(CNH)、芬特(Fendt)和約翰迪爾(John Deere)等農(nóng)機(jī)公司生產(chǎn)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了整車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制及節(jié)點(diǎn)信息共享，而CAN總線技術(shù)在國(guó)產(chǎn)農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用研究目前局限于單個(gè)部件，沒(méi)有形成網(wǎng)絡(luò)布控，缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理的研究[6-9]。ISO 11783協(xié)議的優(yōu)越性和成熟性在國(guó)外已經(jīng)得到初步體現(xiàn)，設(shè)計(jì)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品對(duì)中國(guó)農(nóng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展具有一定的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)解析CAN總線工作原理和ISO 11783協(xié)議，本文設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(automatic mechanical transmission,AMT)控制器CAN接口硬件電路及應(yīng)用層軟件，以期為拖拉機(jī)自動(dòng)化研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1拖拉機(jī)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

CAN是一種串行通信網(wǎng)絡(luò)，為解決車(chē)輛實(shí)時(shí)控制和繁雜布線等問(wèn)題提供了有效方案[10]。由于其支持高安全等級(jí)的分布式實(shí)時(shí)控制，CAN總線作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[11]。ISO 11783協(xié)議對(duì)CAN總線在農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用的高層協(xié)議進(jìn)行了明確規(guī)定，詳細(xì)定義了總線網(wǎng)絡(luò)層與網(wǎng)絡(luò)管理、拖拉機(jī)電子控制單元(electronic control unit,ECU)規(guī)范、農(nóng)機(jī)具信息規(guī)范、虛擬終端規(guī)范、任務(wù)控制器規(guī)范以及信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信規(guī)范。協(xié)議還顧及到農(nóng)業(yè)機(jī)械自身的特點(diǎn)以及與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的鏈接，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的網(wǎng)絡(luò)化和智能化提供了平臺(tái)。

圖1　拖拉機(jī)CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

拖拉機(jī)CAN網(wǎng)絡(luò)被ISO 11783協(xié)議分成了拖拉機(jī)總線與農(nóng)具總線兩個(gè)組成部分，如圖1所示[12-13]。拖拉機(jī)總線主要用于牽引控制ECU、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU和變速器ECU等拖拉機(jī)主要部件節(jié)點(diǎn)的通信；農(nóng)具總線用于任務(wù)控制器、虛擬終端、農(nóng)具ECU和管理計(jì)算機(jī)接口等附件設(shè)備節(jié)點(diǎn)的通信，兩部分總線通過(guò)拖拉機(jī)ECU網(wǎng)關(guān)連接，完成拖拉機(jī)與農(nóng)具節(jié)點(diǎn)之間的通信。

2拖拉機(jī)AMT系統(tǒng)CAN接口硬件設(shè)計(jì)

2.1CAN接口電路設(shè)計(jì)

接口硬件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著支持和承載的關(guān)鍵作用，拖拉機(jī)系統(tǒng)CAN接口設(shè)計(jì)，必須滿足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，方可實(shí)現(xiàn)與其他節(jié)點(diǎn)的正常通信?；贗SO 11783協(xié)議規(guī)范的CAN網(wǎng)絡(luò)電平特性和物理連接，本文設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)AMT系統(tǒng)CAN接口電路，如圖2所示。

TMS320F28335芯片集成有兩個(gè)增強(qiáng)型CAN模塊(eCAN，包含eCAN-A和eCAN-B兩個(gè)接口)，設(shè)計(jì)中選用eCAN-A接口。SN65HVD230是工作電壓為3.3 V的 CAN收發(fā)器，與TMS320C28xTM系列數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)工作電壓相同，在電源設(shè)計(jì)方便的同時(shí)，可與TMS320C28335中央處理器(central processing unit,CPU)配套使用。CPU與收發(fā)器相應(yīng)引腳相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，具體連接方法如圖2所示。

圖2　拖拉機(jī)AMT系統(tǒng)CAN接口電路圖

設(shè)計(jì)中將收發(fā)器引腳RS連接一端接地斜率電阻，可有效解決電磁干擾現(xiàn)象，為了消除電路網(wǎng)絡(luò)中的中頻和高頻寄生耦合，引腳VCC接3.3 V電壓和容抗分別為0.1 μF和10 μF的退耦電容。將120 Ω的電阻接入CAN H和CAN L導(dǎo)線終端，起到抑制網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)反射的作用。在CPU和收發(fā)器之間加裝隔離光耦可增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)抗干擾能力，但是信號(hào)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要通過(guò)光耦2次，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)延遲。因此，設(shè)計(jì)中通過(guò)增加抗干擾軟件代碼替代了光耦隔離元器件，以提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

2.2CAN接口信號(hào)完整性分析

在CAN接口電路設(shè)計(jì)中，考慮到拖拉機(jī)AMT控制器工作頻率高和元器件間距小等特性，單憑經(jīng)驗(yàn)布線容易出現(xiàn)信號(hào)反射和串?dāng)_現(xiàn)象，影響系統(tǒng)穩(wěn)定工作。通過(guò)信號(hào)完整性分析檢測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力，可彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)布線的缺失。

阻抗的不連續(xù)性會(huì)使信號(hào)發(fā)生反射，設(shè)計(jì)中使用串聯(lián)終端匹配技術(shù)，為每個(gè)驅(qū)動(dòng)器配備一個(gè)電阻來(lái)減少系統(tǒng)反射現(xiàn)象的發(fā)生。例如，將傳輸線特征阻抗設(shè)為50 Ω，則可在CUP和CAN收發(fā)器之間設(shè)置一個(gè)大小為50 Ω左右的匹配阻抗，使匹配電阻功耗最小，信號(hào)反射現(xiàn)象減弱，并利用分析工具Allegro PCB對(duì)CUP和CAN收發(fā)器傳輸線上的信號(hào)反射進(jìn)行仿真。拖拉機(jī)AMT控制器采用6層核心板，由于印制電路板(printed circuit board,PCB)層間電介質(zhì)層的厚度對(duì)傳輸線特性阻抗有重要影響，傳輸線阻抗特性的變化會(huì)產(chǎn)生不同程度的信號(hào)串?dāng)_。因此，設(shè)計(jì)中選取3種電介質(zhì)厚度對(duì)信號(hào)串?dāng)_進(jìn)行仿真。反射和串?dāng)_仿真波形如圖3和圖4所示。

圖3中，發(fā)射端與接收端波形基本吻合，信號(hào)的過(guò)沖和下沖現(xiàn)象都不嚴(yán)重，能夠確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖4中，電介質(zhì)層厚度d越小，產(chǎn)生的信號(hào)串?dāng)_越小，因此，核心板的電介質(zhì)層厚度選為91.44 μm。

圖3 信號(hào)反射仿真波形圖4 電介質(zhì)層厚度對(duì)信號(hào)串?dāng)_仿真波形的影響

3拖拉機(jī)AMT系統(tǒng)CAN接口軟件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)幀的定義

ISO 11783協(xié)議將CAN擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)幀劃分為幀起始、控制場(chǎng)、仲裁場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、校驗(yàn)場(chǎng)和幀結(jié)尾，對(duì)拖拉機(jī)及農(nóng)具ECU通信內(nèi)容和方式進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)范。協(xié)議第8部分動(dòng)力傳動(dòng)系信息以J1939/71為參考進(jìn)行定義。本文以變速器擋位信息報(bào)文為例，對(duì)其數(shù)據(jù)幀仲裁場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行了定義。

變速器擋位報(bào)文是變速器控制器向總線發(fā)送的信息，默認(rèn)優(yōu)先級(jí)為6，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)，協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式(PF)為240，數(shù)據(jù)頁(yè)為0。變速器擋位信息報(bào)文仲裁場(chǎng)具體數(shù)值如表1所示。

表1　變速器擋位信息報(bào)文仲裁場(chǎng)數(shù)值

注：P.默認(rèn)優(yōu)先級(jí)；R.保留位；DP.數(shù)據(jù)頁(yè)；PF8-3.PDU格式第8位到第3位；SRR.替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位；IDE.識(shí)別符擴(kuò)展位；PF2-1.PDU格式第2位到第1位；PS.特定協(xié)議數(shù)據(jù)單元；SA.源地址。

協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)場(chǎng)的每個(gè)字節(jié)進(jìn)行了明確定義，表2列出了變速器擋位數(shù)據(jù)場(chǎng)各個(gè)字節(jié)的參數(shù)含義。

表2　變速器擋位數(shù)據(jù)場(chǎng)參數(shù)

采用同樣的方法可以獲得其余拖拉機(jī)及農(nóng)具網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的報(bào)文數(shù)據(jù)幀，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU和自動(dòng)變速器ECU節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息如表3所示。

表3　節(jié)點(diǎn)報(bào)文數(shù)據(jù)幀

3.2CAN接口初始化

對(duì)位時(shí)間配置寄存器進(jìn)行編程能夠確定總線通信速率，完成CAN模塊的初始化，與通信速率相關(guān)的信息如表4所示。

表4　通信速率相關(guān)的基本信息

注：BRP為波特率預(yù)定標(biāo)器寄存器值加1。

系統(tǒng)通信速率為500 kb/s，位時(shí)間為2 000 ns，SYNC_SEG段為固定的1 TQ，PROP_SEG 取15 TQ，PHASE_SEG1取8 TQ，PHASE_SEG2取6 TQ。

4CANoe半實(shí)物仿真測(cè)試

Vector公司的CANoe系統(tǒng)為CAN總線的開(kāi)發(fā)提供了集成模型創(chuàng)建、半實(shí)物仿真、在線物理仿真、系統(tǒng)分析和測(cè)試等功能。本文使用CANcaseXL的Channel1通道，將作為真實(shí)節(jié)點(diǎn)的拖拉機(jī)AMT控制器接入CANoe中，與發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬節(jié)點(diǎn)搭建CAN網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)、配置顯示面板和CAN總線編程語(yǔ)言(CAN access programming language,CAPL)編程完成半實(shí)物仿真測(cè)試。半實(shí)物仿真平臺(tái)由計(jì)算機(jī)、仿真器、AMT控制器和CANcaseXL接口卡組成。拖拉機(jī)CAN網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含AMT_ECU與Engine_ECU兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)場(chǎng)中部分字節(jié)進(jìn)行了數(shù)據(jù)設(shè)定。

運(yùn)行半實(shí)物仿真平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)工作過(guò)程監(jiān)測(cè)，可得到所構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的通信信息，結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5　拖拉機(jī)CAN通信運(yùn)行結(jié)果

表6　半實(shí)物仿真總線狀態(tài)

表5顯示了CAN網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)母餍盘?hào)報(bào)文信息。從表5中可以看出：發(fā)動(dòng)機(jī)ECU節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送了3條報(bào)文，報(bào)文EEC1中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 355 r/min，報(bào)文ET2中發(fā)動(dòng)機(jī)油液溫度為63 ℃，報(bào)文ET3中冷卻液溫度為91 ℃。變速器ECU向總線發(fā)送了1條報(bào)文，包含變速箱當(dāng)前擋位與目標(biāo)擋位兩個(gè)參數(shù)，表5中所示的當(dāng)前擋位為2，目標(biāo)擋位為1，系統(tǒng)完成了拖拉機(jī)AMT與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的通信功能。

從表6所示的半實(shí)物仿真總線狀態(tài)中可以看出：真實(shí)物理節(jié)點(diǎn)接入后，總線負(fù)載率為8.08%，峰值負(fù)載率為27.69%，錯(cuò)誤幀數(shù)據(jù)量為0。由于測(cè)試中沒(méi)有設(shè)置抗干擾措施，峰值負(fù)載率較高。但總線負(fù)載率低于30%，滿足通信的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，達(dá)到了總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

5結(jié)束語(yǔ)

本文在分析拖拉機(jī)應(yīng)用CAN總線技術(shù)必要性和可行性的基礎(chǔ)上，以拖拉機(jī)AMT控制器為例，基于ISO 11783協(xié)議對(duì)拖拉機(jī)AMT系統(tǒng)CAN接口硬件和應(yīng)用層軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。利用Allegro PCB軟件對(duì)控制器信號(hào)的反射和串?dāng)_現(xiàn)象進(jìn)行了信號(hào)完整性仿真分析，以AMT控制器為真實(shí)物理節(jié)點(diǎn)構(gòu)建了CAN網(wǎng)絡(luò)半實(shí)物仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了變速器控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器數(shù)據(jù)的通信與共享。通過(guò)節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)仿真，為拖拉機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化研究提供了一定的途徑。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375145);河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃基金項(xiàng)目(142102210424);河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2014QN017，2015QN001)

作者簡(jiǎn)介：閆祥海(1985-),男,山西晉中人,助教,碩士，主要研究方向?yàn)檐?chē)輛新型傳動(dòng)理論與控制;周志立(1957-),男,通信作者,河南偃師人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)檐?chē)輛新型傳動(dòng)理論與控制.

收稿日期：2016-03-07

文章編號(hào)：1672-6871(2016)04-0071-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.015

中圖分類號(hào)：S232.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A