采棉机智能监控系统CAN应用层协议设计

引言

随着我国大型农业机械装备现代化进程的不断推进，农业机械作业信息滞后、时效性差，机收的组织者和参与者对信息快捷、准确、详细的要求难以满足等问题日益突显，同时目前大型农业机械本身缺少有效的工作状态关键信息采集与故障诊断报警手段，致使无法及时掌握其工作状态与寿命状况，降低了农业机械工作效率和作业质量，影响了农业机械装备的发展。

CAN(controller area network)总线凭其可靠的数据通信和良好的错误检测能力，在控制和检测领域备受重视，被广泛应用在环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。CAN为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

目前，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，但在大型农业机械装备领域鲜有成功应用报道。

本文以4MZ一6A型六行采棉机智能监控系统为例，通过解析报文标识符帧ID和数据帧含义，研究基于CAN总线应用层协议的制定原则和方法。

1 智能监控系统架构及通信

采棉机智能监控系统是基于CAN总线技术搭建的数字式模块化的综合信息管理与控制平台。监控系统整体架构(图1)由6个子系统构成，分别为监控器子系统、自动对行子系统、参数检测子系统、状态监测子系统、棉花测产子系统和巡航速度自调节子系统。在基于CAN总线的采棉机智能监控系统中，各子系统之间以及子系统内各模块间均通过总线进行信息交换，包括采棉机的启动、停止、速度给定以及参数测量、状态监测、棉花产量测定等。

监控器于系统置于采棉机驾驶室内部，是整个监控系统的核心，即中央控制器。监控器不仅可以接收底层各CAN节点发来的参数信息和工作状态信息，并且通过CAN总线向各控制节点发送命令和数据信息。由6组近红外棉花流量智能传感器组成的棉花测产子系统负责把棉花实时产量转换为数字量，并经模型校正，通过CAN总线发送给监控器和巡航速度自调节子系统。另外，采棉机智能监控系统还包含若干基于CAN总线的各类功能模块。例如：自动对行模块(CanModule．A)用来实现采棉机巡航作业时的自动对行功能；脉冲采集模块(CanModub-B)用来获取行走速度、发动机转速、风机转速、滚筒转速以及水压、油温等参数信息，并经过CAN总线发送给监控器用来显示和处理；监测报警模块(CanModule—C)负责监测各被测点的开关量信息和模拟电压量信息，比如各路吸人门状态、离合器状态、棉花输送带状态等。

采棉机智能监控系统通信信息分为命令和数据2类。命令信息，如速度设定、巡航切换、卸棉、自动对行启动等，其优先级比数据信息高。数据信息，如棉花实时产量、发动机转速、采棉头滚筒转速、水箱压力、开关量报警信息等，其优先级相应低一点。不同的子系统发送的数据信息也有优先级之分，如采棉机本身的参数信息和工作状态报警信息就比近红外棉花流量传感器发送的产量信息优先级高；监控器即中央控制器节点的优先级最高，而底层辅助节点优先级最低。

监控系统中有的信息要求周期性传送，如发动机转速、风机转速等机器参数信息。有的信息属于事件触发发送，如吸入门、离合器等报警信息以及启动、巡航切换等控制命令信息。监控系统中各子系统的通信任务各有轻重，相对而言，中央控制器节点的通信最繁忙，而自动对行子系统的通信很少，一旦自动对行任务启动，子系统自身就可完成自动对行任务。另外，各子系统发送指令和数据信息的字节数都很少，大部分为1至2个字节，很适合CAN总线短帧快速的传送方式。

2 通信协议的制定与实现

采棉机智能监控系统采用模块化、总线化设计，层次清晰，便于维护，具有良好的互换性。根据大型六行采棉机实际需要，智能监控系统共需1只CanModule—A模块、8只CanModule．B模块、4只CanModule—C模块、6对近红外棉花流量智能传感器和1套基于CAN总线接口的行走速度控制模块。因为监控平台涉及的控制模块较多，数据传送量大，因此必须清晰定义CAN总线应用层协议，以确保监控系统各模块之间正确、实时通信。

2.1 总体情况

本系统协议采用CAN 2．0B支持29位标识符的扩展帧。通信速率可根据实际调试情况设置成125、250、500 kb／s等多种总线波特率，暂定采用250 kb／s进行通信。各节点的信息交换只使用数据帧，远程帧不用于数据请求，仅限于节点的自行调试。29位扩展帧包括11位基本ID(即标准帧)和18位扩展ID。基本11位ID按照ID28到IDl8的顺序发送，它定义了扩展帧的基本优先权，其值越小代表优先级越高，其值越大代表优先级越低；18位扩展ID按照IDl7到ID0的顺序发送。

CAN