拖拉機CAN通信技術(shù)研究與試驗

閆祥海，周志立，徐立友，張靜云

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

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拖拉機CAN通信技術(shù)研究與試驗

閆祥海，周志立，徐立友，張靜云

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

摘要：針對拖拉機控制實時性低和產(chǎn)品間電氣匹配性差等問題，以拖拉機電控機械式自動變速器(AMT)控制器為例，基于ISO 11783協(xié)議對其控制器局域網(wǎng)(CAN)接口硬件電路及應(yīng)用層通信協(xié)議進行了設(shè)計，實現(xiàn)了AMT_ECU與發(fā)動機ECU的實時數(shù)據(jù)通信。利用Allegro PCB軟件對控制器信號反射和串?dāng)_進行了仿真分析，使用CANcaseXL接口卡將AMT控制器實物接入CAN。利用CANoe軟件建立數(shù)據(jù)庫、配置虛擬儀表，使用CAPL語言編程，搭建了以拖拉機AMT控制器為真實節(jié)點的系統(tǒng)半實物仿真平臺，并對總線系統(tǒng)通信功能和負載率情況進行了監(jiān)測。測試結(jié)果表明：拖拉機AMT控制器CAN接口符合電氣硬件要求，可實現(xiàn)與發(fā)動機ECU進行CAN信息的發(fā)送與接收。

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

0引言

為了提高中國農(nóng)機裝備水平，加快農(nóng)業(yè)機械自動化和智能化進程，配備標準化和網(wǎng)絡(luò)化的電子裝備變得日益重要。目前，中國農(nóng)機某些重要部件采用帶有標準網(wǎng)絡(luò)接口的進口設(shè)備，如何實現(xiàn)與其他國產(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國際標準對農(nóng)林裝備、拖拉機串行控制及數(shù)據(jù)通信總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行了明確規(guī)范。采用控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線作為農(nóng)機網(wǎng)絡(luò)節(jié)點連接的標準總線，對傳感器、控制部件、執(zhí)行器、信息存儲和顯示單元之間的數(shù)據(jù)傳輸格式和方法進行了規(guī)定，可有效提高農(nóng)機各項性能，同時壓縮了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本[4-5]。

國外對CAN總線技術(shù)在農(nóng)機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)機公司生產(chǎn)的產(chǎn)品實現(xiàn)了整車網(wǎng)絡(luò)控制及節(jié)點信息共享，而CAN總線技術(shù)在國產(chǎn)農(nóng)機上的應(yīng)用研究目前局限于單個部件，沒有形成網(wǎng)絡(luò)布控，缺乏對網(wǎng)絡(luò)管理的研究[6-9]。ISO 11783協(xié)議的優(yōu)越性和成熟性在國外已經(jīng)得到初步體現(xiàn)，設(shè)計符合國際標準的產(chǎn)品對中國農(nóng)機行業(yè)的發(fā)展具有一定的實用價值。通過解析CAN總線工作原理和ISO 11783協(xié)議，本文設(shè)計了拖拉機電控機械式自動變速器(automatic mechanical transmission,AMT)控制器CAN接口硬件電路及應(yīng)用層軟件，以期為拖拉機自動化研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1拖拉機CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

CAN是一種串行通信網(wǎng)絡(luò)，為解決車輛實時控制和繁雜布線等問題提供了有效方案[10]。由于其支持高安全等級的分布式實時控制，CAN總線作為國際標準應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[11]。ISO 11783協(xié)議對CAN總線在農(nóng)業(yè)機械上應(yīng)用的高層協(xié)議進行了明確規(guī)定，詳細定義了總線網(wǎng)絡(luò)層與網(wǎng)絡(luò)管理、拖拉機電子控制單元(electronic control unit,ECU)規(guī)范、農(nóng)機具信息規(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)機械自身的特點以及與精準農(nóng)業(yè)的鏈接，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的網(wǎng)絡(luò)化和智能化提供了平臺。

圖1　拖拉機CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

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

2拖拉機AMT系統(tǒng)CAN接口硬件設(shè)計

2.1CAN接口電路設(shè)計

接口硬件對整個系統(tǒng)起著支持和承載的關(guān)鍵作用，拖拉機系統(tǒng)CAN接口設(shè)計，必須滿足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，方可實現(xiàn)與其他節(jié)點的正常通信。基于ISO 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)計了拖拉機AMT系統(tǒng)CAN接口電路，如圖2所示。

TMS320F28335芯片集成有兩個增強型CAN模塊(eCAN，包含eCAN-A和eCAN-B兩個接口)，設(shè)計中選用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)字信號處理器(digital signal processor,DSP)工作電壓相同，在電源設(shè)計方便的同時，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AMT系統(tǒng)CAN接口電路圖

設(shè)計中將收發(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)中信號反射的作用。在CPU和收發(fā)器之間加裝隔離光耦可增強節(jié)點抗干擾能力，但是信號在每個節(jié)點都要通過光耦2次，會導(dǎo)致信號延遲。因此，設(shè)計中通過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接口信號完整性分析

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

阻抗的不連續(xù)性會使信號發(fā)生反射，設(shè)計中使用串聯(lián)終端匹配技術(shù)，為每個驅(qū)動器配備一個電阻來減少系統(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)置一個大小為50 Ω左右的匹配阻抗，使匹配電阻功耗最小，信號反射現(xiàn)象減弱，并利用分析工具Allegro PCB對CUP和CAN收發(fā)器傳輸線上的信號反射進行仿真。拖拉機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)層的厚度對傳輸線特性阻抗有重要影響，傳輸線阻抗特性的變化會產(chǎn)生不同程度的信號串?dāng)_。因此，設(shè)計中選取3種電介質(zhì)厚度對信號串?dāng)_進行仿真。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，信號的過沖和下沖現(xiàn)象都不嚴重，能夠確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。圖4中，電介質(zhì)層厚度d越小，產(chǎn)生的信號串?dāng)_越小，因此，核心板的電介質(zhì)層厚度選為91.44 μm。

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

3拖拉機AMT系統(tǒng)CAN接口軟件設(shè)計

3.1數(shù)據(jù)幀的定義

ISO 11783協(xié)議將CAN擴展格式數(shù)據(jù)幀劃分為幀起始、控制場、仲裁場、數(shù)據(jù)場、應(yīng)答場、校驗場和幀結(jié)尾，對拖拉機及農(nóng)具ECU通信內(nèi)容和方式進行了詳細規(guī)范。協(xié)議第8部分動力傳動系信息以J1939/71為參考進行定義。本文以變速器擋位信息報文為例，對其數(shù)據(jù)幀仲裁場和數(shù)據(jù)場進行了定義。

變速器擋位報文是變速器控制器向總線發(fā)送的信息，默認優(yōu)先級為6，數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)，協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式(PF)為240，數(shù)據(jù)頁為0。變速器擋位信息報文仲裁場具體數(shù)值如表1所示。

表1　變速器擋位信息報文仲裁場數(shù)值

注：P.默認優(yōu)先級；R.保留位；DP.數(shù)據(jù)頁；PF8-3.PDU格式第8位到第3位；SRR.替代遠程請求位；IDE.識別符擴展位；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)議對數(shù)據(jù)場的每個字節(jié)進行了明確定義，表2列出了變速器擋位數(shù)據(jù)場各個字節(jié)的參數(shù)含義。

表2　變速器擋位數(shù)據(jù)場參數(shù)

采用同樣的方法可以獲得其余拖拉機及農(nóng)具網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的報文數(shù)據(jù)幀，其中，發(fā)動機ECU和自動變速器ECU節(jié)點數(shù)據(jù)信息如表3所示。

表3　節(jié)點報文數(shù)據(jù)幀

3.2CAN接口初始化

對位時間配置寄存器進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)定標器寄存器值加1。

系統(tǒng)通信速率為500 kb/s，位時間為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半實物仿真測試

Vector公司的CANoe系統(tǒng)為CAN總線的開發(fā)提供了集成模型創(chuàng)建、半實物仿真、在線物理仿真、系統(tǒng)分析和測試等功能。本文使用CANcaseXL的Channel1通道，將作為真實節(jié)點的拖拉機AMT控制器接入CANoe中，與發(fā)動機虛擬節(jié)點搭建CAN網(wǎng)絡(luò)仿真拓撲結(jié)構(gòu)，經(jīng)過建立數(shù)據(jù)庫、配置顯示面板和CAN總線編程語言(CAN access programming language,CAPL)編程完成半實物仿真測試。半實物仿真平臺由計算機、仿真器、AMT控制器和CANcaseXL接口卡組成。拖拉機CAN網(wǎng)絡(luò)仿真拓撲結(jié)構(gòu)包含AMT_ECU與Engine_ECU兩個節(jié)點，采用ISO 11783標準對報文數(shù)據(jù)場中部分字節(jié)進行了數(shù)據(jù)設(shè)定。

運行半實物仿真平臺，進行系統(tǒng)工作過程監(jiān)測，可得到所構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的通信信息，結(jié)果見表5和表6。

表5　拖拉機CAN通信運行結(jié)果

表6　半實物仿真總線狀態(tài)

表5顯示了CAN網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)母餍盘枅笪男畔?。從?中可以看出：發(fā)動機ECU節(jié)點向總線發(fā)送了3條報文，報文EEC1中發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 355 r/min，報文ET2中發(fā)動機油液溫度為63 ℃，報文ET3中冷卻液溫度為91 ℃。變速器ECU向總線發(fā)送了1條報文，包含變速箱當(dāng)前擋位與目標擋位兩個參數(shù)，表5中所示的當(dāng)前擋位為2，目標擋位為1，系統(tǒng)完成了拖拉機AMT與發(fā)動機之間的通信功能。

從表6所示的半實物仿真總線狀態(tài)中可以看出：真實物理節(jié)點接入后，總線負載率為8.08%，峰值負載率為27.69%，錯誤幀數(shù)據(jù)量為0。由于測試中沒有設(shè)置抗干擾措施，峰值負載率較高。但總線負載率低于30%，滿足通信的實時性和可靠性要求，達到了總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能設(shè)計的目標。

5結(jié)束語

本文在分析拖拉機應(yīng)用CAN總線技術(shù)必要性和可行性的基礎(chǔ)上，以拖拉機AMT控制器為例，基于ISO 11783協(xié)議對拖拉機AMT系統(tǒng)CAN接口硬件和應(yīng)用層軟件進行了設(shè)計。利用Allegro PCB軟件對控制器信號的反射和串?dāng)_現(xiàn)象進行了信號完整性仿真分析，以AMT控制器為真實物理節(jié)點構(gòu)建了CAN網(wǎng)絡(luò)半實物仿真平臺，實現(xiàn)了變速器控制器和發(fā)動機控制器數(shù)據(jù)的通信與共享。通過節(jié)點開發(fā)和系統(tǒng)仿真，為拖拉機控制系統(tǒng)的自動化研究提供了一定的途徑。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51375145);河南省重點科技攻關(guān)計劃基金項目(142102210424);河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金項目(2014QN017，2015QN001)

作者簡介：閆祥海(1985-),男,山西晉中人,助教,碩士，主要研究方向為車輛新型傳動理論與控制;周志立(1957-),男,通信作者,河南偃師人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為車輛新型傳動理論與控制.

收稿日期：2016-03-07

文章編號：1672-6871(2016)04-0071-05

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.04.015

中圖分類號：S232.3

文獻標志碼：A