1系统硬件设计
1．1CAN节点设计将SJA1000的AD0～AD7连接到单片机的P0口(需接上拉电阻)，片选CS接到P2．7上;当引脚P2．7为0时，单片机片外存储器地址的最高位为0，同时选中SJA1000，这样单片机根据相应的地址信息就可对CAN控制器进行读/写操作了。另外，SJA1000的ALE，WＲ，ＲD分别与单片机的读/写选通引脚、锁存控制引脚相连。为了使STC系列单片机选择Inter模式，需将MODE引脚配置为高电平，复位端ＲST与单片机的P2．2引脚相连，这样CAN控制器的复位过程完全可由单片机控制。SJA1000的INT1接单片机的INT0，微控制器通过中断方式访问SJA1000［4］。由于车载测产系统有较强的振动和电磁干扰，CAN控制器并不是直接与总线驱动器相连，而是在它们两者之间利用高速光电耦合器进行电气隔离，从而更好地抑制了总线误码率和出错重发的情况。CAN总线的驱动电路如图2所示。TMS320LF2407A是美国TI公司的DSP控制器，内部集成了支持CAN2．0B协议的CAN控制器模块，CAN节点的发送和接收采用邮箱方式，并可通过自测试判断单节点通信状态是否正常。另外，CAN控制器具有自动重发功能，当发送过程中出现仲裁丢失或错误时，可重新发送数据。由于TMS320LF2407A构成的CAN节点硬件电路简单，只需要一个CAN驱动芯片即可将DSP轻松地接入CAN总线网络。图3为总线驱动器(PCA82C250)和微控制器(TMS320LF2407A)的接口电路。其中，PCA82C250的作用是完成对总线的差动发送和接收;Ｒ4是CAN终端匹配电阻，大小为120Ω，起到抑制回波反射的作用;电阻Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3和二级管D1构成电平转换电路，将转换得到的3．3V供给TMS320LF2407A，而5V供PCA82C250使用［5］。1．2CAN总线网络设计CAN总线网络即CAN总线局域网，是由多个CAN节点连在一起构成的通讯网络，通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤。本系统中的CAN节点主要包括:①测产系统主控机:农业机械作业时完成对速度、粮食动态质量、经度、纬度、时间等的动态监测，同时将数据分类、分析、处理及存储。②GPS模块:实时监测农业机械的位置、速度和时间等信息。③动态电子秤模块:粮食动态质量的测量。④滚筒转速测量模块:当转速超过设定限制时报警。联合收割机测产网络系统的CAN总线网络结构如图4所示。
2系统软件设计
2．1单片机的CAN通信程序由单片机和CAN控制器构成节点的程序设计主要包括3部分:初始化CAN控制器、报文发送和报文接收。SJA1000初始化流程图如图5所示。初始化完成后，如果有数据需要发送时，先将待发送数据组成特定的帧格式，并写入发送缓冲区，就可以启动CAN控制器发送数据了;而当有节点需要接受数据时，则有以下两种接收方法:查询接收和中断接收。如果系统对实时性要求不高，通常采用查询接收。由于本系统要实时监测粮食动态质量和滚筒转速等，因此采用中断接收的方法。2．2TMS320LF2407A的CAN通信程序由TMS320LF2407A构成的CAN节点通信程序主要包括初始化CAN模块、报文发送和报文接收。TMS320LF2407A内嵌CAN控制器的初始化流程如图6所示。在CAN通信过程中，TMS320LF2407A采用邮箱方式进行发送。CAN控制器的发送邮箱有邮箱4和邮箱5以及配置为发送方式的邮箱2和邮箱3。当写数据到发送邮箱后，相应地发送请求位使能，则发送邮箱中的信息帧被发送到CAN总线上。CAN控制器的接收邮箱有邮箱0和邮箱1，以及配置为接收方式的邮箱2和邮箱3。如果要接收数据，则先要将发送数据方的标识符和接收邮箱进行比较:如果相同，即可接收数据;但如果只是被屏的蔽寄存器设置为屏蔽的那几位标识符不相符，则仍能接收此信息［6］。2．3应用层协议应用层是直接为用户提供各种应用服务的，包含各种应用程序。有些由于使用非常普遍而实行了标准化，这些标准形成了应用层上的各种应用协议［7］。通常CAN总线网络协议主要有两种情况:一是协议由自己制定的，国内大多CAN网络系统都采用这种方案，优点是协议简单易用，缺点是互操作性和互换性差;二是当需要与国际标准设备进行接口时，选择使用国际标准协议，如DIN9684和IS011783等［8］。由本系统通信节点个数不是很多，并且系统处于测试阶段，因此采用自制定协议。
3系统测试结果与性能指标分析
3．1测试结果基于CAN总线的车载测产系田间实验数据结果如表1所示。表1中的数据为处理后的系统主机每秒钟通过CAN总线收到的各从机数据。其中，滚筒转速是通过电容式接近开关采集后模拟上传的数据，GPS相关数据由美国Trimble(天宝)的卫星信号接收机接收。3．2性能指标分析CAN总线是一种实时性好且高效的控制网络，数据传输速率可达1Mbps;但由于受到网络负载、传输延时、数据包响应时间等因素的影响，系统通信的实时性往往不能满足要求。为了分析本系统CAN总线网络的实时性能，将针对本系统的实验数据，从CAN数据包响应时间和波特率的关系、网络负载和波特率的关系等方面进行分析，从而判断本系统设置波特率的合理性。3．2．1网络负载率与波特率的关系在由CAN构成的总线系统中，网络负载是指在单位时间内传送数据的位数。网络负载较大时，通信系统的实时性就较差，甚至导致通信瘫痪。因此，网络负载是CAN总线网络通信的重要指标之一。其中，S1和S2分别为总线系统实际传送位数与可传送位数;N1和N2分别为单位时间周期型和事件型数据传送的个数;S3为数据帧一帧的位数。当公式中的单位时间为1s时，则总线系统的波特率就是S2。波特率的设置与网络负载率密切相关。当总线系统上实际传送位数不变时，波特率在l0～1000kbps间变化，网络负载率随之变化，如图7所示。由图7可知:系统的网络负载率随着波特率增加而降低，当波特率在10～600kbps之间变化时，网络负载率随着波特率的增加而减小，且变化很快;而在通信系统中，网络负载率越小，则表示通信的性能越好，但同时也对节点硬件要求较高。所以，除了满足通信性能的前提外，还要避免浪费，充分利用网络节点，波特率设置在250～600kbps较好。本系统中的波特率设置为500kbps，总线负载率约为7．2%左右，符合系统对实时性的要求。3．2．2波特率对CAN数据包的响应时间的影响可以利用两路CAN控制器和节点控制器内部的定时器计算CAN数据包的响应时间，并通过对CAN数据包响应时间和波特率之间的关系，来分析波特率对CAN数据包的响应时间的影响。测试的具体步骤:t1设定为定时器的初始值，当节点间要发送数据时，启动定时器;当接受数据完毕后，关闭定时器，此时记录的定时器值为t2。将波特率从1Mbps逐渐降低，利用式(2)可以得到CAN数据包响应时间和波特率之间的关系，如表2所示。从表2中发现:波特率在5～100kbps变化的过程中，波特率增加，而CAN数据包响应时间减小;但如果波特率从100kbps继续增加时，响应时间基本不变。因此，通过对波特率和CAN数据包响应时间关系的分析，本系统的通信波特率设置为500kbps也是合理的。
4结语
本文研究的基于CAN总线的联合收割机测产网络系统在哈尔滨香坊农场进行了田间试验。试验表明:测产系统可完成对联合收割机收获谷物重量的动态称重、滚筒转速测量和采集有地块的经纬度GPS定位信息，并可实现实时显示和存储现场的数据;将信息同产量信息组合形成地理信息系统可以应用的数据格式，最后导入到软件(如MapGIS)中进行后期处理，提供给有权限的政府机关和科研部门参考。在对系统试验数据的后期处理中发现，试验中通信的正确率、误码率和丢失率均为零，且具有较好的率容错机制、通信实时性和总线利用率工程项目管理。
作者：白龙 王才东 刘洁 单位：牡丹江师范学院 郑州轻工学院 牡丹江医学院附属红旗医院
