闞輝玉，李軍偉，李德芳，高松

(1.山東理工大學 交通與車輛工程學院,山東 淄博 255049；2.雷沃重工股份有限公司 雷沃阿波斯技術(shù)研究院,山東 濰坊 261210)

拖拉機作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必不可少的工具，是田間作業(yè)的主要動力，在發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的道路上起著重要的作用[1-2]。國外對于重型拖拉機的研究起步較早，國外農(nóng)機巨頭如美國的John Deere公司、CNH公司等，大多具備生產(chǎn)重型拖拉機的能力。與國外相比，我國對重型拖拉機的研究起步相對較晚，國內(nèi)僅有少數(shù)大型農(nóng)機廠商具備重型拖拉機的研制能力，如一拖集團、雷沃阿波斯集團等。隨著電子技術(shù)、智能控制等技術(shù)在重型拖拉機上的應(yīng)用，重型拖拉機逐漸配備有動力換擋、動力轉(zhuǎn)向、四輪驅(qū)動、差速鎖和PTO(power take off)恒定輸出等功能[3]。為提高拖拉機的整機控制性能，就需要建立能夠?qū)崿F(xiàn)各個控制單元之間數(shù)據(jù)共享的通信網(wǎng)絡(luò)。因此，研究現(xiàn)代拖拉機的整機通信網(wǎng)絡(luò)對提高我國拖拉機的技術(shù)水平具有重大意義。

CAN(controller area network)總線是為了解決汽車ECU之間眾多的數(shù)據(jù)交換問題而產(chǎn)生的[4-6]。由于CAN總線具有較強的抗電磁干擾性、較高的通信速率，隨著國內(nèi)大型和重型拖拉機的發(fā)展，CAN總線技術(shù)也逐漸應(yīng)用到拖拉機的整機通信網(wǎng)絡(luò)中[7]。王任重等[8]以發(fā)動機節(jié)點、燈光節(jié)點和儀表節(jié)點建立了CAN通信網(wǎng)絡(luò)并測試了負載率，但所涉及的控制單元尚不能覆蓋重型拖拉機的需求；閆祥海等[9]以自動變速器(AMT)控制器為例，主要建立了AMT與ECU的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，對于ECU與其他節(jié)點的通信研究較少[9]；明鑫朗[10]建立了基于CAN總線的智能電動拖拉機控制系統(tǒng)架構(gòu)，該系統(tǒng)架構(gòu)包含五個節(jié)點，但沒有涉及到動力換擋及PTO等功能；王文偉[11]提出了一種基于CAN總線的拖拉機虛擬儀表系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了CAN總線技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)。

盡管我國對拖拉機整機通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計已經(jīng)有了一定的研究基礎(chǔ)，但仍缺少可以覆蓋重型拖拉機多個控制單元的整機通信網(wǎng)絡(luò)。本文根據(jù)拖拉機整機控制器、發(fā)動機控制器、變速箱控制器、電控提升控制器、精準作業(yè)控制器以及儀表等各組成部件，分別設(shè)計了拖拉機的單CAN網(wǎng)絡(luò)和雙CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并制定了基于SAE J1939和ISO 11783的CAN通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；通過CANoe軟件分別搭建了單CAN網(wǎng)絡(luò)和雙CAN網(wǎng)絡(luò)仿真平臺以實現(xiàn)對拖拉機CAN通信網(wǎng)絡(luò)的性能分析；最后利用實車測試來驗證所設(shè)計的CAN通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可行性。

1 拖拉機CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計

對于重型拖拉機來說，整機控制器(VCU)、發(fā)動機控制器(ECU)、變速箱控制器(TCM)、電控提升控制器(HCM)以及儀表控制器(ICM)是構(gòu)成拖拉機整機控制系統(tǒng)最基本的部件。此外，在以上五個節(jié)點的基礎(chǔ)上增加了精準作業(yè)控制器(PCM)以匹配農(nóng)機具進行精準作業(yè)。由于重型拖拉機控制單元較多，因此，在設(shè)計整機CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)時，分別建立了單CAN網(wǎng)絡(luò)和雙CAN網(wǎng)絡(luò)。圖1表示拖拉機的單CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，圖2表示拖拉機的雙CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 拖拉機的單CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Single CAN network topology for tractors

圖2 拖拉機的雙CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Dual CAN network topology for tractors

由圖1可知，拖拉機單CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)由整機控制器，發(fā)動機控制器等六個節(jié)點組成。作為拖拉機正常運行的核心，整機控制器在通過與發(fā)動機、變速箱等控制器進行信息交互以獲取各部件運行狀態(tài)的同時，還會識別駕駛員的駕駛意圖，從而控制拖拉機安全行駛和作業(yè)；發(fā)動機控制器一方面根據(jù)整機控制器的控制信號控制發(fā)動機的正常工作，另一方面會將發(fā)動機的工作狀態(tài)信息發(fā)送到整機控制器等其他控制器，從而使各控制器根據(jù)發(fā)動機運行狀態(tài)合理決策；變速箱控制器主要用來控制拖拉機的擋位狀態(tài)，實現(xiàn)拖拉機的動力換擋等功能；電控提升控制器主要用來接收來自整機控制器的控制信息，從而控制智能農(nóng)機具按駕駛員意圖進行深耕作業(yè)；儀表控制器主要用來實時向駕駛員顯示拖拉機的運行狀態(tài)信息，它通過接收其他控制器的CAN報文來控制儀表的顯示內(nèi)容；精準作業(yè)控制器主要用來接收表示拖拉機運行狀態(tài)的CAN報文，從而控制智能農(nóng)機具根據(jù)拖拉機運行狀態(tài)來進行精準作業(yè)。由圖2可知，雙CAN網(wǎng)絡(luò)中的CAN1網(wǎng)絡(luò)主要由整機控制器、電控提升控制器、精準作業(yè)控制器組成，CAN2網(wǎng)絡(luò)主要由整機控制器、發(fā)動機控制器、變速箱控制器和儀表控制器組成。在雙CAN網(wǎng)絡(luò)中，整機控制器是CAN1和CAN2網(wǎng)絡(luò)連接的橋梁，起到網(wǎng)關(guān)的作用，一方面整機控制器發(fā)送拖拉機狀態(tài)信息如車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等供電控提升控制器決策使用，另一方面，電控提升控制器和精準作業(yè)控制器的運行狀態(tài)信息會通過整機控制器來上傳給儀表控制器，以便駕駛員了解各總成工作情況。

2 拖拉機CAN通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議制定

CAN通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是拖拉機各部件控制器數(shù)據(jù)交換、控制策略制定和拖拉機正常運行的基礎(chǔ)。SAE J1939和ISO 11783相比，都是基于CAN2.0B協(xié)議的擴展幀(29位標識符)制定的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)標準，都是采用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(protocol data unit,PDU)來規(guī)范信息幀格式，兩者不同之處在于SAE J1939的應(yīng)用側(cè)重于商用車，而ISO 11783的應(yīng)用側(cè)重于農(nóng)林拖拉機和農(nóng)業(yè)機械[12]。因此，文中以ISO 11783標準協(xié)議為例對協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU進行介紹。如圖3所示，協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU由優(yōu)先級(P)、保留位(R)、數(shù)據(jù)頁(DP)、PDU格式(PF)、特定PDU(PS)、源地址(SA)、數(shù)據(jù)場(DATA)組成，其中R、DP、PF、PS構(gòu)成了標志PDU內(nèi)容和種類的參數(shù)組編號(paramater group numbers,PGN)。PDU格式可分為PDU1和PDU2，當PF值小于240時，為PDU1格式，此時消息會發(fā)送到與目標地址PS相同的特定地址中；當PF值在240～255之間時，PS為組擴展。

圖3 ISO 11783協(xié)議數(shù)據(jù)單元Fig.3 Protocol data unit of ISO 11783

根據(jù)拖拉機各部件控制器的功能以及報文的優(yōu)先級，本文基于SAE J1939標準協(xié)議和ISO 11783標準協(xié)議為不同報文分配特有的參數(shù)組編號和優(yōu)先級，制定了拖拉機CAN通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，見表1。以PGN為00FE4316的報文來介紹CAN通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的具體制定過程。ISO 11783規(guī)定PGN為00FE4316的報文更新周期為100 ms，默認優(yōu)先級為3，字節(jié)長度為8 B。其中，字節(jié)1、2表示后動力輸出軸轉(zhuǎn)速，字節(jié)3、4表示后動力輸出軸轉(zhuǎn)速設(shè)定值。字節(jié)5的第7、8位表示輸出軸的接合狀態(tài)，00表示動力輸出軸分離，01表示動力輸出軸接合；第5、6位表示后動力輸出模式，00表示輸出軸模式為540 r/min，01表示輸出軸模式為1 000 r/min；第3、4位表示后動力輸出經(jīng)濟模式，00表示未啟用動力輸出經(jīng)濟模式，01表示已啟用動力輸出經(jīng)濟模式。其余未定義位進行了保留。

表1 拖拉機CAN通信協(xié)議Tab.1 CAN communication protocol of tractor

3 拖拉機CAN網(wǎng)絡(luò)仿真

CANoe是德國Vector公司研發(fā)的用于CAN總線分析的軟件，支持從CAN總線系統(tǒng)分析到系統(tǒng)實現(xiàn)的整個系統(tǒng)開發(fā)過程[13-14]。為了驗證本文設(shè)計的單CAN網(wǎng)絡(luò)和雙CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)性能，使用CANoe軟件對拖拉機CAN網(wǎng)絡(luò)進行仿真，以檢測整機CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的可行性[15]。

3.1 CAN網(wǎng)絡(luò)仿真模型

根據(jù)定義的報文建立CAN通信數(shù)據(jù)庫后，為通過仿真來預(yù)估在設(shè)定波特率情況下的總線負載和延遲，需要在CANoe的Simulation Setup窗口中分別構(gòu)建與圖1和圖2相對應(yīng)的單CAN網(wǎng)絡(luò)和雙CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲的仿真模型，以實現(xiàn)拖拉機內(nèi)部各節(jié)點所對應(yīng)報文的接收和發(fā)送。

3.2 CAN網(wǎng)絡(luò)負載率

CAN總線的負載率是指總線上每秒實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)與理論所能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)位數(shù)之比，其大小與總線上的節(jié)點數(shù)量、總線的波特率、每幀報文的幀類以及數(shù)據(jù)場長度等有關(guān)。在本文設(shè)計的CAN網(wǎng)絡(luò)中，單CAN網(wǎng)絡(luò)具有6個節(jié)點，雙CAN網(wǎng)絡(luò)中的CAN1和CAN2網(wǎng)絡(luò)分別具有3個節(jié)點和4個節(jié)點，其中VCU還具有網(wǎng)關(guān)的作用。CAN總線負載率計算公式為

(1)

式中：n為在1 s內(nèi)傳輸?shù)腃AN報文總數(shù)量；Si為第i個報文占用的數(shù)據(jù)位數(shù)；Brate為CAN總線的波特率。

在CAN網(wǎng)絡(luò)中，總線負載率過高會增加報文傳輸過程中發(fā)生碰撞的概率，增加發(fā)生總線仲裁的可能性，降低電控單元之間的通信效率；反之，總線負載率過低又會浪費總線資源，造成網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費。一般來說，CAN總線的負載率處于20 %～30 %可以保證控制器高效的運行，充分利用總線帶寬，保證總線通信功能的可靠性[16]。CAN總線的負載率可以通過CANoe軟件的仿真功能進行計算和優(yōu)化，表2為拖拉機CAN網(wǎng)絡(luò)負載率仿真結(jié)果。由表2可知，單CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，波特率為250 kb/s時，負載率非常高，達到了94 %；波特率為500 kb/s時，負載率也比較高，達到了47 %。雙CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，波特率為250 kb/s時，CAN1總線負載率為41.59 %，CAN2的為41.52 %，負載率較高；波特率為500 kb/s時，CAN1通道總線負載率為20.80 %，CAN2的為20.76 %。由仿真結(jié)果可知，當波特率由250 kb/s提高到500 kb/s時，隨著信號傳輸速率的增加，CAN總線負載率明顯降低。因此，拖拉機CAN總線通信設(shè)計最好選擇波特率為500 kb/s時的雙CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

表2 拖拉機CAN網(wǎng)絡(luò)負載率仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of tractor CAN network load rate

3.3 CAN網(wǎng)絡(luò)信號仿真

為了驗證拖拉機CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的合理性和可行性，需要對網(wǎng)絡(luò)所傳遞的信號進行測試分析。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)中的狀態(tài)變量(如后PTO接合狀態(tài)等)用0和1表示；系統(tǒng)中的模擬量(如發(fā)動機轉(zhuǎn)速等)由其對應(yīng)的數(shù)字量表示。圖4為仿真過程中座椅安全帶狀態(tài)曲線、后PTO接合狀態(tài)曲線、四驅(qū)狀態(tài)曲線、車速曲線和發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線。由圖4可知，當車速低于20 km/h時，拖拉機進入四驅(qū)狀態(tài)；當發(fā)動機在26.5 s進入怠速狀態(tài)后，拖拉機車速也明顯下降。以上分析可知，整機CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)具有可行性。

圖4 CAN網(wǎng)絡(luò)信號Fig.4 CAN network signal

4 實驗測試

在經(jīng)過仿真測試后，整機CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的基本功能已經(jīng)實現(xiàn)，接下來需要對整機功能進行實驗測試進一步驗證整機CAN總線網(wǎng)絡(luò)的實際效果。實驗測試所用車輛為雷沃P7000拖拉機，如圖5所示。整機CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)采用圖2的雙CAN網(wǎng)絡(luò)，波特率為500 kb/s。

4.1 擋位識別測試

擋位識別測試是指在拖拉機掛入相應(yīng)擋位時，整機控制器應(yīng)能正確識別該擋位。圖6(a)為發(fā)動機的擋位狀態(tài)與時間的變化曲線，1表示前進擋，2表示空擋。

4.2 發(fā)動機起動測試

發(fā)動機起動測試是指拖拉機處于空擋狀態(tài)下，發(fā)動機水溫高于最低起動溫度，離合器踏板踩下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于200 r/min，打開點火開關(guān)時，起動繼電器閉合，啟動機帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)動，直到發(fā)動機起動成功。圖6(b)為離合器踏板狀態(tài)與時間的變化曲線,1表示離合器處于閉合狀態(tài)；圖6(c)為點火開關(guān)與時間的變化曲線，由于點火開關(guān)是一個自復(fù)位開關(guān)，因此松開鑰匙開關(guān)后點火開關(guān)將復(fù)位到關(guān)閉狀態(tài)。圖6(d)為發(fā)動機轉(zhuǎn)速與時間的變化曲線，當起動條件滿足后，啟動機將帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)動，直到發(fā)動機起動成功。由圖6(d)知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在剛起動時波動較大，但經(jīng)過一段時間發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定在850 r/min左右。

圖5 拖拉機測試實車Fig.5 Tractor for real vehicle test

(a)擋位狀態(tài)

4.3 油門踏板開度測試

油門踏板開度測試是指拖拉機處于正常工作狀態(tài)下，踩下腳油門踏板后，觀察電子油門輸出信號變化和發(fā)動機的響應(yīng)情況。圖7為油門踏板開度測試曲線圖。由圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)可知，腳油門踏板1電壓的變化和踏板2電壓的變化滿足2倍的比例關(guān)系。當油門踏板開度為0 %時，腳油門踏板1電壓和踏板2電壓分別為0.75 V和0.375 V；當油門踏板開度為94 %時，腳油門踏板1電壓和踏板2電壓原始值分別為3.65 V和1.83 V。由圖7(c)和圖7(d)可知，在27 s左右和84 s左右時，隨著油門踏板開度的增加，發(fā)動機轉(zhuǎn)速有明顯的提高；在18 s左右和139 s左右，隨著踏板開度的減小，發(fā)動機轉(zhuǎn)速有明顯的下降。

4.4 四輪驅(qū)動測試

四輪驅(qū)動測試是指拖拉機處于正常工作狀態(tài)下，按下四輪驅(qū)動翹板開關(guān)后，拖拉機前后輪都具備驅(qū)動功能；當再次按下四輪驅(qū)動翹板開關(guān)后，拖拉機僅有后輪具有驅(qū)動功能，前輪驅(qū)動功能應(yīng)失效。圖8(a)為四輪驅(qū)動翹板開關(guān)與時間的變化曲線，由于該開關(guān)是自復(fù)位式，因此當松開翹板開關(guān)時會自動復(fù)位；圖8(b)為四輪驅(qū)動指示燈狀態(tài)與時間的變化曲線，當滿足四輪驅(qū)動模式的條件后，該指示燈將點亮，方便駕駛員了解拖拉機當前的驅(qū)動狀態(tài)。

(a)踏板1電壓曲線圖

(a)四輪驅(qū)動翹板開關(guān)狀態(tài)

4.5 報文傳輸延遲測試

報文傳輸延遲的測試是指拖動機正常工作一段時間后，觀測各電控單元之間是否按照規(guī)定的標識符和傳輸時間來進行通信。通過對拖拉機運行過程中所采集的報文進行處理和分析，發(fā)現(xiàn)各電控單元可以按照協(xié)議所規(guī)定的標識符和傳輸時間進行通信，不存在丟幀的情況。由于用于拖拉機通信的報文比較多，文中以PGN為00FE4316的CAN報文為例進行分析。圖9是PGN為00FE4316的CAN報文傳輸延遲時間曲線圖。在第2節(jié)中，可以知道PGN為00FE4316的CAN報文更新周期是100 ms，由圖9可以看出CAN報文最大的傳輸延遲時間為1.06 ms，這遠遠小于更新周期100 ms，從而可知報文傳輸滿足CAN通信實時性的要求[17]。

圖9 報文傳輸延遲時間曲線圖Fig.9 Curve of message transmission delay time

通過以上分別對擋位識別、發(fā)動機起動、油門踏板開度和四輪驅(qū)動的測試，實現(xiàn)了擋位識別、四輪驅(qū)動等功能，說明了所設(shè)計的波特率為500 kb/s的雙CAN網(wǎng)絡(luò)可以準確地采集和傳輸拖拉機各控制單元的信息；通過對報文傳輸延遲的測試，表明所設(shè)計的CAN網(wǎng)絡(luò)可以滿足通信實時性的要求，從而保證CAN通信的可靠性，使拖拉機按駕駛員意圖安全作業(yè)。

5 結(jié)論

1)本文針對重型拖拉機構(gòu)型的特點，設(shè)計開發(fā)了整機CAN總線通信系統(tǒng)。該通信網(wǎng)絡(luò)包含了較為全面的重型拖拉機的電控單元。

2)在單CAN網(wǎng)絡(luò)和雙CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過CANoe進行了整機CAN總線網(wǎng)絡(luò)負載率的分析，依此確定了500 kb/s波特率的雙CAN網(wǎng)絡(luò)作為重型拖拉機的CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

3)對整機網(wǎng)絡(luò)所傳遞的信號進行了完整性測試以確保重型拖拉機對雙CAN網(wǎng)絡(luò)性能的要求，實車測試了拖拉機的擋位識別、發(fā)動機起動、四輪驅(qū)動等功能。實際測試結(jié)果表明本文所設(shè)計開發(fā)的重型拖拉機CAN通信網(wǎng)絡(luò)以及通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)拖拉機的所有功能，滿足重型拖拉機各個電控單元之間的實時通信和可靠性要求。