CN103901886A - 分布式农机导航控制系统通用can节点 - Google Patents

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胡静涛
高雷
白晓平
迟浩东
李逃昌
刘晓光
王鹤
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中国科学院沈阳自动化研究所
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Abstract

本发明提供了一种分布式农机导航控制系统通用CAN节点,该通用智能节点具有模拟电压测量、数字信号I/O、RS232、RS485及CAN等数字通信接口,并可通过软件配置使其具有位姿数据解析、车轮转角检测及转向控制等功能。位姿数据解析功能是对GPS、电子罗盘的数据进行接收、解析并转发到CAN总线上;车轮转角检测功能是接收转角编码器的信息,根据模型计算出车轮转角并发送到CAN总线上;转向控制功能是控制机械式转向机构中的步进电机,实现农机的自动转向控制。本发明的智能节点通用性强,既可以将GPS、电子罗盘、车轮转角编码器、转向执行器等外围装置通过CAN总线接入分布式农机导航控制系统,也可以实现上述装置的数据处理与控制。

Description

分布式农机导航控制系统通用CAN节点
技术领域
[0001] 本发明涉及农机导航控制技术领域,尤其是应用于分布式农机导航控制系统中的多功能智能测控节点。
背景技术
[0002] 随着电子信息技术的发展,在工业控制领域和车辆电子系统中,普遍使用控制局域网(CAN)、RS485等串行通信总线技术。CAN是ISO国际标准化的串行通信协议,1986年由德国电气商博世公司开发,此后通过IS011898及IS011519进行了标准化,是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧,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,并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议,和专为农业、林业拖拉机与机械设计的IS011783协议。近年来,其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视,被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。在农机车载电子系统中,使用范围最广的总线也为CAN总线。在采用CAN总线的分布式控制系统中,各种传感器的接口通常为RS232、RS485、频率信号以及模拟电压信号等,都需要使用相应的信号处理及转发电路,才能够获取传感器信息并发送到CAN总线上;另外,本地执行器往往也需要配备具有计算和控制能力的处理器电路。
[0003] 由于挂接在分布式农机导航控制系统CAN总线上的节点装置,对模拟信号测量、数字量输入/输出、信号处理能力、控制能力等方面的要求各不相同,这对电路的设计开发提出了较高的要求,增加了节点装置的开发周期和成本,提高了开发的难度。
发明内容
[0004] 为了解决分布式农机导航控制系统开发中遇到的CAN节点硬件功能需求不同、运算控制能力要求各异的问题,同时为缩短开发周期、提高可靠性,提高既有软硬件资源的复用性,本发明设计了一种具备多种常用输入/输出功能,拥有较强信号处理能力和控制能力的通用智能节点。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:分布式农机导航控制系统通用CAN节点,
[0006](定稿后拷贝权利要求)
[0007] 本发明的有益效果是:具备丰富的模拟、数字信号采集、处理能力,并设计有RS232、RS485和CAN三种常见的通信接口,在分布式农机导航控制系统中,能够应用于以下多种情况:测量输出为模拟电压量或电阻值的传感器信号、测量输出为矩形电压波的传感器信号、输出PWM波形对电机等装置进行控制、输出电平信号控制外部设备的开关等。通过软件配置,即可以选择和使用上述各种功能,大大降低了开发的周期和成本。
附图说明[0008] 图1为本发明的硬件模块示意图;
[0009] 图2为本发明的模拟电压测量模块示意图;
[0010] 图3为本发明的数字信号输入模块示意图;
[0011] 图4为本发明的数字信号输出模块示意图;
[0012] 图5为本发明的拨码开关中断响应程序流程图。
[0013] 1-32位处理器最小系统;2_电源模块;3_模拟电压测量模块;4_数字信号输入模块;5_数字信号输出模块;6_数字通信模块;7_静电放电保护芯片;8_拨码开关;11_输入电压保护电路;12-信号调理电路;13_可调模拟电压输出电路;14_电压跟随器;15_精密电位器;21_两位拨码开关;22_开关消抖芯片;23_达林顿晶体管;24_上拉电阻;31_达林顿晶体管;32-上拉电阻。
具体实施方式
[0014] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0015] 如图1所示,本发明的分布式农机导航控制系统通用CAN节点的硬件模块包括:32位处理器最小系统1、电源模块2、模拟电压测量模块3、数字信号输入模块4、数字信号输出模块5、数字通信模块6等电路模块。基于该硬件模块,可以实现位姿数据解析、车轮转角检测和转向控制等功能。
[0016] 32位处理器最小系统1,由32位嵌入式处理器LM3S5749及晶振、JTAG、复位等基本外围电路构成;LM3S5749可工作在50MHz,具有强大的计算能力和丰富的外围扩展接口,是智能节点的核心。
[0017] 电源模块2,包括两路电压转换电路:一路输入直流电压9V至24V,输出直流电压5V ;另一路输入直流电压9V至24V,输出直流电压3.3V ;两路转换电路都以PWM型DC-DC转换芯片SP7656为核心元件,具有较高的转换效率。
[0018] 模拟电压测量模块3,如图2所示,包括输入电压保护电路11、信号调理电路12和可调模拟电压输出电路13 ;输入电压保护电路11,采用高速开关二极管BAV99对待测量的模拟电压信号进行箝位,以保护信号调理电路;信号调理电路12,由多路两级运算放大器电路构成,能够对待测量的模拟电压信号进行放大、缩小及偏置等电压调理操作;可调模拟电压输出电路13,由运算放大器构成的电压跟随器14、精密电位器15构成,该电路可以向外部电路提供模拟电压输出,可通过调节精密电位器15,输出不超过模拟电源电压的直流电压。模拟电压测量模块3,可以用于测量外部传感器等输出的模拟电压值,范围为:0-5VDC,也可以用于测量电位器的滑动触点位置,测量方法为:通过可调模拟电压输出电路13向电位器的两个固定端加上总电压U1,处理器通过ADC测量该总电压Ul及滑动触点的电压U2,即可以计算出滑动触点的位置。当电位器为直线型时,记触点的可滑动总长度为L,则当前滑动触点位置/ = ;当电位器为旋转型时,记可旋转总角度为α,则当前旋转的角度# = ,
[0019] 数字信号输入模块4,如图3所示,包括数字输入设置电路、外部数字信号输入电路两部分;数字输入设置电路,采用两位拨码开关21作为输入设置器件,经过开关消抖芯片22输入处理器的I/O引脚,用于进行功能设定;图3的开关消抖芯片22内部自带下拉电阻,两位拨码开关21通过开关消抖芯片22输入到处理器两个I/O引脚上,当两位拨码开关21都断开时,引脚上电平为“低低”;当两位拨码开关21的低位闭合、高位断开时,引脚上电平为“低高”;当两位拨码开关21的低位断开、高位闭合时,引脚上电平为“高低”;当两位拨码开关21都闭合时,引脚上电平为“高高”;当两个I/O引脚上的电平发生改变时,都将触发处理器的中断,中断处理程序如图5所示:程序首先通过检测引脚上电平的高低,获得两位拨码开关21的当前状态,然后根据该状态进行主循环程序的设置,当两位拨码开关21都断开时,设置位姿数据解析程序为主循环程序;当两位拨码开关21的低位闭合、高位断开时,设置车轮转角检测程序为主循环程序;当两位拨码开关21的低位断开、高位闭合时,设置转向控制程序为主循环程序;当两位拨码开关21都闭合时,为未定义状态,中断服务程序进行其它操作,直接返回主程序。
[0020] 外部数字信号输入电路,采用达林顿晶体管23、上拉电阻24对输入的数字信号进行高速电平转换后,输入处理器外围设备计数器的输入引脚,通过计数器功能可以对输入的数字信号进行频率测量,也可以通过该引脚的数字I/o功能检测输入数字信号的电平高低。
[0021 ] 数字信号输出模块5,如图4所示,包括三路独立PWM信号输出电路,和三路数字电平信号输出电路;六路数字输出电路,都采用达林顿晶体管31、上拉电阻32对处理器输出的数字信号进行电平转换,并增加驱动能力。
[0022] 数字通信模块6,如图1所示,包括一路RS232通信电路41、一路RS485通信电路42和一路CAN2.0通信电路43 ;RS232通信电路41,由RS232驱动芯片和用于对外接口引线的静电放电保护芯片构成;RS485通信电路42,由RS485驱动芯片和用于对外接口引线的静电放电保护芯片构成;CAN2.0通信电路43,由处理器外围设备CAN控制器和CAN隔离收发器构成。
[0023] 综上所述,本发明的分布式农机导航控制系统通用CAN节点,本发明的CAN节点具有多种模拟I/o、数字I/O和通信接口,功能丰富,通用性强,为分布式农机导航系统中传感器信息的检测和本地执行器的控制提供了一种通用型的解决方案。

Claims (7)

1.一种分布式农机导航控制系统通用CAN节点,其特征在于,由32位处理器最小系统连接电源模块、模拟电压测量模块、数字信号输入模块、数字信号输出模块和数字通信模块,其中, 所述32位处理器最小系统,由32位嵌入式处理器及其外围电路组成; 所述电源模块,包括两路DC-DC电压转换电路; 所述模拟电压测量模块,接收外部传感器输出的模拟电压,对模拟电压进行调理,输出不超过该模拟电压的直流电压; 所述数字信号输入模块,包括数字输入设置电路、外部数字信号输入电路; 所述数字信号输出模块,连接所述32位处理器最小系统的PWM输出引脚和I/O引脚,对数字信号进行电平转换并输出; 包括PWM信号输出电路和数字电平信号输出电路;数字信号输出电路,采用达林顿晶体管、上拉电阻对处理器输出的数字信号进行电平转换; 所述数字通信模块,用于所述32位处理器最小系统与外部的通信。
2.根据权利要求1所述的分布式农机导航控制系统通用CAN节点,其特征在于,所述两路DC-DC电压转换电路中的一路输入直流电压9V至24V,输出直流电压5V ;另一路输入直流电压9V至24V,输出直流电压3.3V。
3.根据权利要求1所述的分布式农机导航控制系统通用CAN节点,其特征在于,所述模拟电压测量模块包括输入电压保护电路、信号调理电路和可调模拟电压输出电路; 所述输入电压保护电路,采用高速开关二极管对输入的模拟电压信号进行箝位,以保护信号调理电路; 所述信号调理电路,由多路两级运算放大器电路构成; 所述可调模拟电压输出电路,由运算放大器构成,根据外部负载阻抗的不同,输出不超过模拟电源电压的直流电压。
4.根据权利要求1所述的分布式农机导航控制系统通用CAN节点,其特征在于,所述数字输入设置电路以拨码开关作为输入设置器件,经过开关消抖芯片连接32位处理器最小系统的I/O引脚,用于进行功能设定。
5.根据权利要求1所述的分布式农机导航控制系统通用CAN节点,其特征在于,所述外部数字信号包括达林顿晶体管和上拉电阻,输入电路输入数字信号,通过达林顿晶体管、上拉电阻对所述数字信号进行电平转换,输出端连接32位处理器最小系统的计数输入引脚。
6.根据权利要求1所述的分布式农机导航控制系统通用CAN节点,其特征在于,所述数字信号输出模块包括达林顿晶体管及其上拉电阻,由达林顿晶体管作为输入端,上拉电阻作为输出端。
7.根据权利要求1所述的分布式农机导航控制系统通用CAN节点,其特征在于,所述数字通信模块包括一路RS232通信电路、一路RS485通信电路和一路CAN2.0通信电路; 所述RS232通信电路由RS232驱动芯片和用于对外接口引线的静电放电保护芯片构成; 所述RS485通信电路,由RS485驱动芯片和用于对外接口引线的静电放电保护芯片构成; 所述CAN2.0通信电路,由处理器外围设备CAN控制器和CAN隔离收发器构成。
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