基于CAN總線的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于CAN總線的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)摘要農(nóng)業(yè)是維持人民的基本生活的基礎(chǔ)，然而農(nóng)業(yè)的發(fā)展受到自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)科技的限制。大幅度提高土地利用率、勞動生產(chǎn)率，提高整體效率，必須依靠科學(xué)技術(shù)的進步。田間作業(yè)機車在田間松土、播種、施肥、收割等場合發(fā)揮著重要作用，但是隨著機車的使用率的增多，與田間作業(yè)機車有關(guān)的安全事故也不斷增加，威脅著機車司機的人生安全。為了提高田間機車在工作過程中的安全性，以往大多數(shù)的方法都是通過與司機電話聯(lián)系或派人到現(xiàn)場查看來確定機車司機的安全和機車的的位置。深入研究以往的田間作業(yè)機車監(jiān)測技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了“基于CAN總線的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)”，

2、實現(xiàn)了對田間作業(yè)機車的位置、作業(yè)面積、油箱溫度、機車速度等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，已達到減少田間作業(yè)機車在田地工作時出現(xiàn)意外情況的目的。本論文主要完成了一下幾方面的工作：1、系統(tǒng)的分析了田間作業(yè)機車工作狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷史和國內(nèi)外研究概況，闡述了課題研究的意義和目的。同時對CAN總線做了深入學(xué)習(xí)。2、針對田間作業(yè)機車工作時可能出現(xiàn)的安全問題，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計理念和實際情況，提出了“基于CAN總線的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”設(shè)計的總體框架，同時分析了該方案的設(shè)計理念，設(shè)計的缺點和不足及還需要解決的問題。3、設(shè)計了該系統(tǒng)的硬件部分，由數(shù)據(jù)采集端、CAN總線傳輸、和數(shù)據(jù)發(fā)送端等組成，實現(xiàn)了

3、數(shù)據(jù)的采集、傳輸和發(fā)送。4、根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計的需要，設(shè)計了“基于CAN總線的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”的軟件編程。包括單片機、GPRS、CAN總線的編程。5、通過多次試驗調(diào)試，能夠得到田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)信息，并且可以在顯示界面上實時的看到這些工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。實驗的測試結(jié)果表明：實驗的數(shù)據(jù)與參考的數(shù)據(jù)能夠較好的吻合，說明誤差較小，具有良好的精度。同時系統(tǒng)采用了CAN總線技術(shù)，減少了錯綜復(fù)雜的布線，提高了穩(wěn)定性，操作簡單，該系統(tǒng)將會提高田間作業(yè)機車的安全系數(shù)和工作效率，具有很好的應(yīng)用前景，可以大范圍推廣使用。關(guān)鍵詞：田間作業(yè)機車；CAN總線；傳感器；GPS第一章緒論1.1選題的背景和意

4、義 農(nóng)業(yè)是保證國家發(fā)展和經(jīng)濟穩(wěn)定的重要依據(jù)，隨著時代的發(fā)展，各國清晰的認識到農(nóng)業(yè)對于國家穩(wěn)定的重要性。黨在十七屆三中全會中共中央關(guān)于推進農(nóng)村改革發(fā)展若干重大問題的決定一文中明確指出：“積極發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力”，深入理解和認識發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要性。隨著信息科學(xué)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，田間作業(yè)機車是否可以安全的運行，對于保障田間作業(yè)機車司機的生命安全、確保產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、提高農(nóng)田的經(jīng)濟效益都具有十分重要的意義。同時我國北方地區(qū)常會出現(xiàn)一些極端氣候的自然災(zāi)害，如持續(xù)低溫、多雪多雨、氣候異常、回暖偏晚等，這些對田間作業(yè)機車的正常工作帶來了難題，在這樣氣候的影響下，機車達不到要求的效率

5、3。因此對于北方田間機車作業(yè)來說，對田間作業(yè)機車的監(jiān)測是個重要的過程。機車狀態(tài)監(jiān)測是針對機車或者機車部件在工作中的運行狀態(tài)（如車速、油箱溫度，作業(yè)面積，耗油量等）進行實時的監(jiān)控和檢測，通過各類傳感器（如溫度感光器，光感傳感器、浮子傳感器等）將這些數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)字信號或者電信號等，通過有效的傳輸后在處理器中進行分析和處理，最后將數(shù)據(jù)進行存儲已達到對機車工況監(jiān)測的目的。對于田間作業(yè)機車工作狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究是保障田間作業(yè)機車正常工作的基礎(chǔ)條件。監(jiān)測系統(tǒng)能對出現(xiàn)故障機車做出快速準確的反應(yīng)，提高設(shè)備的可靠性和智能化調(diào)度水平，同時也能夠保障田間作業(yè)機車司機的生命安全，減少維修費用，為公司減少了經(jīng)

6、濟支出，帶來了巨大經(jīng)濟效益。早期的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主要在機車的布線中使用價格高昂的模擬信號線，而且每一個傳感器需要單獨布線，線多而亂，不僅給裝機帶來麻煩，而且也為以后更新傳感器時帶來不必要的麻煩。田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的采集端一般采用無線的傳輸模式，但是由于車載部分傳輸距離較近，再加上無線傳輸?shù)男阅懿粔蚍€(wěn)定，農(nóng)田地里環(huán)境惡劣，這些都將限制監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作。從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌戎v，無線傳輸?shù)乃俣炔蝗缬芯€傳輸?shù)乃俣瓤?，這大大的影響了系統(tǒng)的實時性，進而影響監(jiān)控系統(tǒng)，這一類型的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求?，F(xiàn)代的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)一般利用計算機

7、、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字通信的技術(shù)支持，充分彰顯了強大的工作能力和廣闊的應(yīng)用性。由這樣的交叉組合技術(shù)組成的監(jiān)測系統(tǒng)具有很高的可靠性和安全性，田間作業(yè)機車司機也可以依靠機車內(nèi)的設(shè)備及時了解機車的內(nèi)部情況，一旦出現(xiàn)問題，立即采取相應(yīng)的措施，減少損失。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式微控制器MCU(Micro Control Unit)的優(yōu)越性能凸顯出來，應(yīng)用也越來月廣泛?，F(xiàn)代的通信技術(shù)日新月異，有線傳輸也取得了突破性的進展。這些技術(shù)都為田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)提供了強有力的技術(shù)支持。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀新世紀以來，一些發(fā)達國家為了達到農(nóng)業(yè)高效率和高產(chǎn)出的目的，開始著手于田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實

8、踐,與之相關(guān)企業(yè)也先后開發(fā)了各有特色的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，CAN總線技術(shù)就是監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。CAN總線是一項以計算機、智能傳感和數(shù)據(jù)通信為主的綜合性技術(shù)，在當(dāng)代的自動化控制領(lǐng)域發(fā)展迅速，被譽為自動化領(lǐng)域的局域網(wǎng)。CAN總線（Controller Area Network）最早是由德國Bosch公司在1986年提出，它具有性價比高、傳輸速度快、實時性和可靠性強等特點，當(dāng)時普遍適用于解決汽車問題，現(xiàn)如今已經(jīng)被廣泛運用到自動控制、樓宇自動化、醫(yī)學(xué)設(shè)備等各個領(lǐng)域。隨著CAN總線在各個領(lǐng)域的廣泛使用，國際上也對CAN總線的通信格式提出了更加嚴格的要求，1991年在各方的共同努力下C

9、AN總線技術(shù)規(guī)范（Version2.0）制定完成并正式發(fā)布。此外“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)靠科技，科技使用靠農(nóng)機?！钡靡嬗谖覈罅ν七M農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)信息化和農(nóng)業(yè)機械化的國家政策。有效的采用田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以使田間作業(yè)機車達到高效率、低功耗的目的，更大的促進農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，在未來的中國，田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)控市場應(yīng)用前景將十分廣闊。1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢凱斯-紐荷蘭Winner系列電子系統(tǒng)、8030系列的電子信息系統(tǒng)、迪爾Intellitrak電子儀表系統(tǒng)，道依茲Agrotronic-l電子駕駛操縱系統(tǒng)、福格森的Autotronic系統(tǒng)和Datatronic系統(tǒng)等6，這些裝置

10、主要控制田間作業(yè)機車的常規(guī)信息參數(shù)、液晶圖形顯示、超聲光報警、和控制隨機性能參數(shù)（機車實際前進速度、工作時間、發(fā)動機和動力輸出軸（PTO）轉(zhuǎn)速、機車作業(yè)面積、作業(yè)效率及滑轉(zhuǎn)率等），還具有優(yōu)化駕駛操縱方案、故障診斷和報警、前驅(qū)動、差速鎖上和動力輸出軸（PTO）自動控制等功能。國外田間作業(yè)機車大多安裝機載計算機系統(tǒng)。功能是采集和分析處理機車作業(yè)過程中傳感器采集回來的信息參數(shù)，這些信息參數(shù)主要包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速，PTO轉(zhuǎn)速、作業(yè)行駛速度、打滑率等。為了促進CAN總線以及CAN總線協(xié)議的進一步發(fā)展，歐洲于1992年成立了CiA(CAN in Automation)。在CiA的作用下，CAN總線技術(shù)在紡織機

11、械、汽車電子控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、船舶運輸和航空航天控制等方面均得到了廣泛的應(yīng)用7。CiA現(xiàn)在有全世界400多家公司加入其中，如今CiA已經(jīng)是全球應(yīng)用CAN總線技術(shù)最權(quán)威的機構(gòu)。根據(jù)國外資料報道，CAN總線技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于家用電器、智能樓宇以及小區(qū)建設(shè)中。它的每個節(jié)點都可以隨機的訪問，通信速度能夠滿足要求。一些網(wǎng)關(guān)如CAN總線與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，可以使一個房間或者一整棟大廈的CAN總線信息轉(zhuǎn)變?yōu)镮nternet的形式后傳輸出去或反過來通過這類網(wǎng)關(guān)把外網(wǎng)傳來的信息轉(zhuǎn)換為CAN總線的形式，即實現(xiàn)了遠程控制10。1.2.2、國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢在以往的國內(nèi)測控領(lǐng)域，由

12、于沒有更好的選擇，大多采用BITBUS或RS-485作為通信總線。其不足主要有：一主多從，無冗余；數(shù)據(jù)通信為命令響應(yīng)，傳輸率低；錯誤處理能力弱，采用CAN總線技術(shù)后即可解決上述問題11。CAN總線上的每一個節(jié)點都可作為主節(jié)點交換數(shù)據(jù)并且可以分出優(yōu)先級。這些特點使其在工業(yè)測控領(lǐng)域眾多總線中成為首選的現(xiàn)場總線之一13?；贑AN總線的田間作業(yè)機車工況監(jiān)測采用高新技術(shù)提高了機車性能、可靠性和安全性等。目前國內(nèi)機車工況監(jiān)控系統(tǒng)的研究情況主要如下：21世紀初期吉林大學(xué)任輝、楊印生等在泰國農(nóng)機作業(yè)委托的調(diào)查中論述了農(nóng)機作業(yè)委托的定義，郭鴻鵬開展了農(nóng)機作業(yè)委托決策支持系統(tǒng)研究的工作。2006年國家農(nóng)業(yè)信息化

13、工程技術(shù)研究中心李洪等人開展了基于GPS、GPRS和GIS的農(nóng)機監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)為遠距離快速采集農(nóng)機信息、農(nóng)機資源的實時監(jiān)控和有效調(diào)度提供了一種切實可行的解決方案。2009年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文、張智剛等設(shè)計東方紅X-804機車的DGPS自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)，針對東方紅X-804機車在特定工況下，所提出的跨行地頭轉(zhuǎn)向控制方法對試驗機車具有良好的適用性。2010年山東理工大學(xué)李進鵬和楊自棟設(shè)計了一套8行精密播種機的監(jiān)測系統(tǒng)，采用液晶觸摸屏作為人機界面,實現(xiàn)了直接地顯示8行播種工況的功能。2004-2012年，浙江大學(xué)何勇等進行了基于網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)機械裝備管理信息系統(tǒng)的研究，開發(fā)了農(nóng)機性能綜合檢測儀

14、，該儀器能夠完成快速測定農(nóng)機的工作狀態(tài)，實現(xiàn)了一機多用16。目前，對機車的作業(yè)研究主要集中于驅(qū)動系統(tǒng)、行走機構(gòu)、液壓懸掛、制動、導(dǎo)航研究等幾個方面，相對于作業(yè)參數(shù)的實時監(jiān)測及本機工作狀態(tài)的實時檢測研究較少，對于CAN總線運用到農(nóng)機中的研究也是較少的。系統(tǒng)將農(nóng)機工況信息傳輸技術(shù)與裝備研制，實現(xiàn)農(nóng)機作業(yè)參數(shù)的本地及遠程監(jiān)控是本系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容。1.3 研究的主要內(nèi)容本課題的主要任務(wù)是基于CAN總線的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的建立。著重突出以下幾方面的研究：第一章，分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，闡述了本論文的目的和意義，并提出了本研究的主要內(nèi)容第二章，詳細的介紹了基于CAN總線的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)

15、監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架設(shè)計，包括CAN總線的概述和協(xié)議，GPS接收器概述，各類傳感器、單片機信息和GPRS發(fā)送等。第三章，設(shè)計硬件，包括傳感器模塊，GPS模塊和GPRS模塊，顯示屏模塊和CAN控制器模塊信息采集端包括GPS（Global Positioning System）接收模塊、浮子傳感器，溫度傳感器等，將這些模塊按照設(shè)計順序依次連接進行測試。第四章，進行軟件編程，軟件編程部分是本論文的重點和難點。要進一步了解CAN總線的協(xié)議，并對2個單片機分開進行編程，必須要深入了解軟件的開發(fā)平臺。第五章，將軟件和硬件合二為一，進行整體調(diào)試，針對運行時出現(xiàn)的問題進行分析，最終解決問題。最后對全文進行總結(jié)和

16、展望，分析本系統(tǒng)的缺點和不足，并對未來要做的工作提出意見和方向。第二章系統(tǒng)的總體框架設(shè)計農(nóng)田機車上的設(shè)備多而且復(fù)雜，將設(shè)備劃分不同模塊可以為以后拓展提供方便，現(xiàn)在流行的現(xiàn)場總線主要包括LonWorks、PROFIBUS和CAN幾種，通過比較可以發(fā)現(xiàn)，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點，是一種已形成國際標(biāo)準的現(xiàn)場總線，而且CAN還能對數(shù)據(jù)進行仲裁，確定優(yōu)先傳輸，這些也是CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。本論文將重點介紹GPS模塊、CAN控制器模塊、顯示屏模塊和GPRS模塊，系統(tǒng)由信息采集端、數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端組成。信息采集端對GPS接收器和溫度

17、傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行解析和處理，利用CAN總線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)發(fā)送端。數(shù)據(jù)發(fā)送端對信息采集端上傳的數(shù)據(jù)進行整合和打包后，通過GPRS無線傳輸?shù)缴衔粰C。上位機可以實時的對機車運行信息進行監(jiān)測和存儲，為實現(xiàn)田間作業(yè)機車精準作業(yè)提供了依據(jù)。本系統(tǒng)的應(yīng)用對象是田間作業(yè)機車，由于田間機車的設(shè)備相對來說比較復(fù)雜，同時還要考慮到實時性、操作的難易程度，但對數(shù)據(jù)接收端不進行過多的討論。圖2.1 系統(tǒng)框圖Fig2.1 Block diagram of system 如圖2.1所示，在田間作業(yè)機車工況監(jiān)控系統(tǒng)中，由GPS模塊接收衛(wèi)星信號，溫度傳感器采集油箱溫度信息，單片機通過CAN總線獲得傳輸數(shù)據(jù)，對接

18、收到的數(shù)據(jù)解析和處理后進行顯示，GPRS無線通信將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，使得機車運行信息實時顯示，自動跟蹤，傳輸數(shù)據(jù)等。2.1 現(xiàn)場總線概述現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。它是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，是自動化領(lǐng)域中底層數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。下面介紹幾種流行的現(xiàn)場總線并且將CAN總線與RS-489進行對比如表2.1.1、基金會現(xiàn)場總線基金會現(xiàn)場總線（FoundationFieldbus 簡稱FF）是世界范圍內(nèi)的二百三十家公司在1994年9月將ISP協(xié)議和WorldFIP協(xié)議合并的，主要涉及領(lǐng)域是過程自動化領(lǐng)域。FF以ISO/OSI開放系

19、統(tǒng)層上增加了用戶層,通信標(biāo)準有低速H1和高速H2兩種，物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼。這些都使得FF在過程自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。2、LonWorksLonWorks總線采用神經(jīng)元芯片為核心技術(shù)設(shè)計基本節(jié)點，LonTalk通信協(xié)議支持七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，LonTalk的規(guī)范和設(shè)計資料不公開，決定了它不是一個開放的總線系統(tǒng)，并且LonTalk硬件成本相對較高。國內(nèi)的LonWorks總線應(yīng)用普遍集中于早先的智能樓宇領(lǐng)域，支持低速率。多介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)通信，它的另一個重要特點就是它的互操作性。3、WorldFIPWorldFIP（World Factory Instrument Pr

20、otocol）用于自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場總線，提供現(xiàn)場設(shè)備和控制器以及控制器之間的數(shù)字化連接。它是一部完整的規(guī)范，是現(xiàn)場總線歐洲標(biāo)準EN50170第三部分和國際標(biāo)準IEC61158的第七部分。WorldFIP非常適合于對于傳輸時間具有嚴格要求的場合，同時也使得某些突發(fā)數(shù)據(jù)能夠盡快在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。4、PROFIBUSPROFIBUS（Process Field Bus）是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動化。它的傳送速度在9.6kbaud12Mbaud之間，Profibus的重要優(yōu)點是具有穩(wěn)定的國際標(biāo)準EN50170

21、作保證，并且具有普遍性。它具有ProfibusDP、ProfibusPA和ProfibusFMS三個子集。表2.1 RS-485與CAN總線的特性對比特性RS-485CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)傳輸介質(zhì)硬件成本總線利用率網(wǎng)絡(luò)特性數(shù)據(jù)傳輸率容錯機制通訊失敗率節(jié)點錯誤影響通信距離網(wǎng)絡(luò)調(diào)試開發(fā)難度后期維護成本直線拓撲雙絞線很低低單主結(jié)構(gòu)低無很高故障節(jié)點有可能導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓<1.2Km容易容易較高直線拓撲雙絞線每個節(jié)點大概20元高多主結(jié)構(gòu)最高可達1Mbps有硬件完成錯誤處理和檢錯機制極低故障節(jié)點有可能導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)無影響可達10Km需要一定技術(shù)基礎(chǔ)需要一定技術(shù)支持很低2.1.1 CAN總線概述CAN(Co

22、ntroller Area Network)是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡稱，是以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，它一開始適用于汽車中，但最終成為國際標(biāo)準（ISO11898），現(xiàn)在是國際上應(yīng)用最廣的現(xiàn)場總線之一。近年來CAN總線也開始走進中國的市場，并于2002年被正式確定為電力通訊領(lǐng)域國家標(biāo)準，進而被大家逐漸重視。如今的CAN總線被廣泛的運用樓宇智能化、汽車制造和工業(yè)自動化當(dāng)中。它的優(yōu)點包括故障節(jié)點可自動關(guān)閉，不影響其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；可以支持硬件節(jié)點的即插即用，可靠性高；采用芯片硬件ID方式管理網(wǎng)絡(luò)，故障節(jié)點界定十分方便，網(wǎng)絡(luò)維護成本低。ZLG提供了一系列開發(fā)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的硬件、軟

23、件資源，設(shè)計工作的難度也降低很多。CAN總線無需專門的調(diào)度，可實現(xiàn)點對點，點對多及全局廣播等多種方式的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)軟件運行負擔(dān)。當(dāng)信號傳輸距離達到10km時，CAN仍可提供高達5kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN總線具有很高的實時性能和應(yīng)用范圍，從位速率最高可達1Mbps的高速網(wǎng)絡(luò)到低成本多線路的5Kbps網(wǎng)絡(luò)都可以任意搭配。CAN總線位速率與最大距離關(guān)系如表2.2。表2.2 位速率與最大距離關(guān)系位速率/kbps10005002501251005020105最大距離/m4013027053062013003300670010000CAN總線的工作原理是CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的

24、報文格式發(fā)出去，這時網(wǎng)上的其它節(jié)點均處于接收狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點接收到了報文后馬上進行檢測，判斷是否是發(fā)給自己來決定是否接收它。2.1.2 CAN總線協(xié)議CAN的協(xié)議是規(guī)定CAN各節(jié)點之間如何才能實現(xiàn)完整通信的協(xié)議規(guī)范。協(xié)議分為三層，包括數(shù)據(jù)鏈路層DLL、物理層PL和應(yīng)用層。應(yīng)用層可以明確CAN消息幀的11位標(biāo)識符和8字節(jié)數(shù)據(jù)如何使用，CAN協(xié)議之對物理層和數(shù)據(jù)層做了描述和規(guī)定，但是對應(yīng)用層則沒有說明。CAN總線協(xié)議時建立在國際標(biāo)準組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型基礎(chǔ)上的，主要工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，層層之間是相互獨立而又透明的，如圖2.2。應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層邏輯鏈路控制子層（LLC）驗收濾波過濾通知恢復(fù)管

25、理媒體訪問控制子層（MAC）數(shù)據(jù)包裝/解碼幀編碼（填充，消除填充）介質(zhì)訪問管理錯誤標(biāo)志應(yīng)答并行轉(zhuǎn)換串行串行轉(zhuǎn)換并行物理層 位編碼/解碼 位定時同步驅(qū)動器/接收器特性圖2.2 CAN總線層結(jié)構(gòu)物理層是由物理介質(zhì)連接、物理信號層、介質(zhì)相關(guān)接口組成。規(guī)定了通訊時統(tǒng)一的規(guī)格，來實現(xiàn)設(shè)備的信號傳遞。也定義了信號的發(fā)送方式、位定時、位編/解碼和同步技術(shù)的步驟。但是沒有規(guī)定驅(qū)動器接收器的特性。物理介質(zhì)連接是實現(xiàn)接收/發(fā)送功能和提出檢測故障方法，物理信號層是依據(jù)“不歸零”方法對信號實現(xiàn)位定時、位編/解碼和同步的功能。介質(zhì)相關(guān)是實現(xiàn)介質(zhì)與媒體訪問之間的接口。數(shù)據(jù)鏈路層是將物理層收到的有意義的信號組成由使用價值的

26、數(shù)據(jù)。其中MAC層作為重要，是CAN協(xié)議的核心，因為它連接了LLC子層和物理層，主要負責(zé)執(zhí)行優(yōu)先仲裁、傳遞規(guī)則、出錯檢查和故障鑒定等，同時也受到“故障界定”的管理和監(jiān)督，故障界定提供一種特殊的自檢機制，能夠區(qū)分出永久錯誤和短暫的干擾，提高的CAN總線的使用價值。2.1.3CAN的幀結(jié)構(gòu)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳入接收器，在CAN總線的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在接收/發(fā)送時，幀有四種不同類型。MAC數(shù)據(jù)幀包括應(yīng)答（ACK）場、幀結(jié)束（End of Frame）、循環(huán)冗余碼（CRC）場、數(shù)據(jù)場、幀起始（Start of Frame）控制場和仲裁場七個不同位場，如圖2.3所示。幀起始標(biāo)識符RTR數(shù)據(jù)場控制場CRC場AC

27、K場幀結(jié)束圖2.3MAC數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)1、 ACK場：ACK場包括ACK隙和ACK界定符，ACK隙和ACK界定符都是“隱性”位。ACK隙的可以將所有正確接收到該數(shù)據(jù)幀的節(jié)點，以“顯性”位改成“隱性”位作為應(yīng)答方式。2、 幀結(jié)束（End of Frame）：當(dāng)每個MAC幀均有7個“隱性”位構(gòu)成時標(biāo)志幀結(jié)束。3、 CRC場：有CRC序列和CRC界定符組成。4、 數(shù)據(jù)場：由08個字節(jié)組成。5、 幀起始（SOF）：標(biāo)志著幀的開始，由單個“顯性”位構(gòu)成，所以節(jié)點需同步于SOF的上升沿。 6、 控制場：由2位用于未來DLC擴展的保留位和4位數(shù)據(jù)場長度編碼（DLC）組成。7、 仲裁場：包括LLC子層傳來的11位

28、標(biāo)識符和RTR（Remote Tranimission Request）位，在MAC數(shù)據(jù)幀中，RTR數(shù)值為“0”。2.1.4 SJA1000本系統(tǒng)采用PHILIPS公司生產(chǎn)的SJA1000，它是一款獨立的CAN控制器，主要適用于工業(yè)生產(chǎn)中，SJA1000是由發(fā)送緩沖區(qū)、CAN核心模塊、接口管理邏輯、接口FIFO和驗收濾波器組成的。SJA可以完成CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的所有任務(wù)。SJA1000和它的前一款PCA82CA00控制器在軟件和引腳上是兼容的，并且增加了BasicCAN模式和PeliCAN模式，并且SJA1000也全面的支持CAN2.0B協(xié)議2.2 全球定位系統(tǒng)由于田間作業(yè)面積較

29、大，容易一時難以尋找作業(yè)機車，這樣將會與機車短暫失聯(lián)，如果遇到故障，這將會十分危險。在基于CAN總線的田間作業(yè)機車工況數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中，將會利用GPS接收器接收到田間作業(yè)機車的位置信息，包括經(jīng)度、緯度和接收時的衛(wèi)星數(shù)目，以便準確掌握機車的位置，提高設(shè)備的工作效率。GPS是全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System）的簡稱，它是由24顆覆蓋全球的衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，它可以保證在任何時刻，在地球上的任意地點都可以同時觀測到至少4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以提供所在地點的經(jīng)度緯度等信息，比便實現(xiàn)導(dǎo)航、定位和調(diào)度等功能，具有良好的抗干擾性和保密性。現(xiàn)在GPS已廣泛使用到軍事，地理，交通

30、，通信等多個領(lǐng)域，以便達到時刻掌握目標(biāo)位置的目的。它的基本特點是以高精度的原子鐘為核心，以“多星、高頻、高軌、測量-測距”為體制，具有高精度的三維定位，可以提供準確位置、速度和時間信息，無論你身在何方，只需1秒即可定位，這對用戶尤為重要，它還可以同時容納多為用戶，具有較強的隱蔽性，抗干擾性和安全性，它的精確度可以達到厘米級，準確率非常高。2.2.1 GPS模塊概述目前大多數(shù)的GPS模塊的芯片是采用全球占有率第一的SiRFIII系列為主，GPS模塊是由RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，相關(guān)外圍電路組成的集成電路。由于每個芯片的價格不同，GPS模塊的價格也有差別，采用SIRF三代芯片組的GPS模

31、塊價格要比采用MTK和MSTAR的貴很多。GPS模塊一般有2個波段L1和L2，每個衛(wèi)星都要在2個載波上發(fā)送2個直接序列擴頻信號。GPS模塊高性能的指標(biāo)主要有靈敏度準確、定位時間精確、功耗小、位置準等。GPS定位模塊稱為用戶部分，它像“收音機”一樣接收、解調(diào)衛(wèi)星的廣播C/A碼信號，中以頻率為1575.42MHz。GPS模塊并不播發(fā)信號，屬于被動定位。通過運算與每個衛(wèi)星的偽距離，采用距離交會法求出接收機的得出經(jīng)度、緯度、高度和時間修正量這四個參數(shù)，特點是點位速度快，但誤差大。初次定位的模塊至少需要4顆衛(wèi)星參與計算，稱為3D定位，3顆衛(wèi)星即可實現(xiàn)2D定位，但精度不佳。GPS模塊通過串行通信口不斷輸出

32、NMEA格式的定位信息及輔助信息，供接收者選擇應(yīng)用?，F(xiàn)在常用的GPS模塊有一下幾種：1、G-MOUSEG-Mouse是一種衛(wèi)星接收器，主要應(yīng)用于可以安裝匹配的管理軟件的某些特定的操作系統(tǒng)，它的接口主要是USB接口，串口（DB9接口），PS/2，S端子，航空接頭等，并采用最先進的衛(wèi)星接收核心,具有全方位功能，能滿足工業(yè)級定位的嚴格要求與個人使用需要2、GSTARGSTAR模塊性能指標(biāo)主要有接收靈敏度、定位時間、位置精度、功耗、時間精度等。不同的GstarGPS模塊有一定的性能差異，在各項參數(shù)上都有差別。GstarGPS模塊的定位精度取決于很多方面，比如來自于GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星鐘差及軌道差、可見Gs

33、tarGPS衛(wèi)星數(shù)量及幾何分布、太陽輻射、大氣層、多徑效應(yīng)等。另外，同一個GstarGPS模塊，還會因為天線及饋線質(zhì)量、天線位置和方向、測試時間段、開放天空范圍及方向、天氣、PCB設(shè)計等原因產(chǎn)生不同的定位誤差。3、FASTRAXFASTRAX專門提供高性能GPS接收器、GPS軟件解決方案和跟蹤系統(tǒng)。它是選用SiGe半導(dǎo)體的SE4120產(chǎn)品來實現(xiàn)其軟件GPS方案的，產(chǎn)品組合將GPS射頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字、中頻信號，提高了靈敏度，目標(biāo)平臺主要包括個人導(dǎo)航設(shè)備、移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、產(chǎn)移動PC、智能電話等。2.2.2 NEO-6M-0-001模塊NEO-6M-0-001采用U-blox芯片，模塊體積16mm*

34、12.2mm*2.4mm，也就是說模塊的體積不如一個一角錢硬幣大，體積非常小。冷啟動和熱啟動首次定位時間都小于1秒，冷啟動就是切斷電源，重新啟動機器，但是內(nèi)存全都丟失，重新掃描電腦硬件，比如按機箱上的POWER鍵就是冷啟動。熱啟動相對于冷啟動是在計算機不切斷電源情況下的程序啟動。-162DBM(功率絕對值)的Supersense捕獲和跟蹤靈敏度，5Hz位更新頻率，運行和存儲溫度在-40和+85，說明在惡劣天氣下也可以正常使用，價格在五十元左右，性價比很高。2.3傳感器概述傳感器（Transducer Sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信

35、號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的特點包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。人的感知器官有眼耳口鼻，五官可以通過味覺、嗅覺、聽覺和視覺使人感知周圍的變化。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類. 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛

36、的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術(shù)將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。在本設(shè)計中，我們采用的是浮子傳感器和溫度傳感器。2.3.1 DS18B20本文采用DS18B20溫度傳感器，它是常見的溫度傳感器，具有體積輕巧、使用方便、耐冷耐熱、抗干擾能力強和性價比高等特點。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括四部分：溫度傳感器、64位光刻ROM 、報警觸發(fā)器、配置寄存器。它接線方

37、便、封裝后可以適用于狹小的設(shè)備中，包括鍋爐測溫、冷凍庫測溫、機房測溫、農(nóng)業(yè)大棚測溫和糧庫測溫等普通溫度場。DS18B20獨特的單線接口方式使得僅需要一條口線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通訊，它的測溫范圍在-55+125之間，測溫誤差1，精確度很高。支持多點組網(wǎng)，數(shù)個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，但最多只能連接8個，在使用中不需要添加任何外圍元件。DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s 減為750ms。 DS18B20測溫原理如圖3所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號

38、送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。2.3.22.4 單片機單片機因其主要的組成部分集中在一塊芯片上而取名單片機，它包括中

39、央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、只讀存儲器（ROM）以及I/O接口電路等，他雖然只是一個芯片，但在結(jié)構(gòu)功能上，它具有和計算機一樣的屬性，所以也可以稱它是單片微型計算機，即單片機。典型的單片機有ATMEL產(chǎn)AT89C51、Philips產(chǎn)P89C51RD2、Motorola產(chǎn)68HC05、Intel產(chǎn)MCS-51系列。單片機應(yīng)用非常廣泛，包括機電一體化、智能儀表、家用電器、分布式多機系統(tǒng)中。它的語言有三中，包括機器語言、匯編語言和高級語言。單片機的原理是自動自覺地進行控制和運算，把實現(xiàn)計算和控制的步驟一步步地用指令的形式，即一條條指令（Instruction）預(yù)先存入到存貯器中，單片機在CPU的控制下，將指令一條條地取出來，并加以翻譯和執(zhí)行，最后達到編程者的目的。目前按單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，把它們分為4位、8位、16位及32位單片機。單片機獨特的結(jié)構(gòu)決定了它具有高集成度、高可靠性、控制功能強、性能價格比高、低電壓和低功耗特點。2.4.1 STC12C5A60S2在眾多的51系列單片機中，要算國內(nèi)STC公司的1T增強系列更具有競爭力， STC12C5A60S2單片機