分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用can節(jié)點的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點，該通用智能節(jié)點具有模擬電壓測量、數(shù)字信號I/O、RS232、RS485及CAN等數(shù)字通信接口，并可通過軟件配置使其具有位姿數(shù)據(jù)解析、車輪轉(zhuǎn)角檢測及轉(zhuǎn)向控制等功能。位姿數(shù)據(jù)解析功能是對GPS、電子羅盤的數(shù)據(jù)進行接收、解析并轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線上；車輪轉(zhuǎn)角檢測功能是接收轉(zhuǎn)角編碼器的信息，根據(jù)模型計算出車輪轉(zhuǎn)角并發(fā)送到CAN總線上；轉(zhuǎn)向控制功能是控制機械式轉(zhuǎn)向機構(gòu)中的步進電機，實現(xiàn)農(nóng)機的自動轉(zhuǎn)向控制。本發(fā)明的智能節(jié)點通用性強，既可以將GPS、電子羅盤、車輪轉(zhuǎn)角編碼器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行器等外圍裝置通過CAN總線接入分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)，也可以實現(xiàn)上述裝置的數(shù)據(jù)處理與控制。
【專利說明】分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)機導(dǎo)航控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是應(yīng)用于分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)中的多功能智能測控節(jié)點。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域和車輛電子系統(tǒng)中，普遍使用控制局域網(wǎng)(CAN)、RS485等串行通信總線技術(shù)。CAN是ISO國際標(biāo)準化的串行通信協(xié)議，1986年由德國電氣商博世公司開發(fā)，此后通過IS011898及IS011519進行了標(biāo)準化，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議，和專為農(nóng)業(yè)、林業(yè)拖拉機與機械設(shè)計的IS011783協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。在農(nóng)機車載電子系統(tǒng)中，使用范圍最廣的總線也為CAN總線。在采用CAN總線的分布式控制系統(tǒng)中，各種傳感器的接口通常為RS232、RS485、頻率信號以及模擬電壓信號等，都需要使用相應(yīng)的信號處理及轉(zhuǎn)發(fā)電路，才能夠獲取傳感器信息并發(fā)送到CAN總線上；另外，本地執(zhí)行器往往也需要配備具有計算和控制能力的處理器電路。
[0003]由于掛接在分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)CAN總線上的節(jié)點裝置，對模擬信號測量、數(shù)字量輸入/輸出、信號處理能力、控制能力等方面的要求各不相同，這對電路的設(shè)計開發(fā)提出了較高的要求，增加了節(jié)點裝置的開發(fā)周期和成本，提高了開發(fā)的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)開發(fā)中遇到的CAN節(jié)點硬件功能需求不同、運算控制能力要求各異的問題，同時為縮短開發(fā)周期、提高可靠性，提高既有軟硬件資源的復(fù)用性，本發(fā)明設(shè)計了一種具備多種常用輸入/輸出功能，擁有較強信號處理能力和控制能力的通用智能節(jié)點。
[0005]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點，
[0006](定稿后拷貝權(quán)利要求)
[0007]本發(fā)明的有益效果是:具備豐富的模擬、數(shù)字信號采集、處理能力，并設(shè)計有RS232、RS485和CAN三種常見的通信接口，在分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)中，能夠應(yīng)用于以下多種情況:測量輸出為模擬電壓量或電阻值的傳感器信號、測量輸出為矩形電壓波的傳感器信號、輸出PWM波形對電機等裝置進行控制、輸出電平信號控制外部設(shè)備的開關(guān)等。通過軟件配置，即可以選擇和使用上述各種功能，大大降低了開發(fā)的周期和成本。
【專利附圖】

【附圖說明】[0008]圖1為本發(fā)明的硬件模塊示意圖；
[0009]圖2為本發(fā)明的模擬電壓測量模塊示意圖；
[0010]圖3為本發(fā)明的數(shù)字信號輸入模塊示意圖；
[0011]圖4為本發(fā)明的數(shù)字信號輸出模塊示意圖；
[0012]圖5為本發(fā)明的撥碼開關(guān)中斷響應(yīng)程序流程圖。
[0013]1-32位處理器最小系統(tǒng)；2_電源模塊；3_模擬電壓測量模塊；4_數(shù)字信號輸入模塊；5_數(shù)字信號輸出模塊；6_數(shù)字通信模塊；7_靜電放電保護芯片；8_撥碼開關(guān)；11_輸入電壓保護電路；12-信號調(diào)理電路；13_可調(diào)模擬電壓輸出電路；14_電壓跟隨器；15_精密電位器；21_兩位撥碼開關(guān)；22_開關(guān)消抖芯片；23_達林頓晶體管；24_上拉電阻；31_達林頓晶體管；32-上拉電阻。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0015]如圖1所示，本發(fā)明的分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點的硬件模塊包括:32位處理器最小系統(tǒng)1、電源模塊2、模擬電壓測量模塊3、數(shù)字信號輸入模塊4、數(shù)字信號輸出模塊5、數(shù)字通信模塊6等電路模塊?；谠撚布K，可以實現(xiàn)位姿數(shù)據(jù)解析、車輪轉(zhuǎn)角檢測和轉(zhuǎn)向控制等功能。
[0016]32位處理器最小系統(tǒng)1，由32位嵌入式處理器LM3S5749及晶振、JTAG、復(fù)位等基本外圍電路構(gòu)成；LM3S5749可工作在50MHz，具有強大的計算能力和豐富的外圍擴展接口，是智能節(jié)點的核心。
[0017]電源模塊2，包括兩路電壓轉(zhuǎn)換電路:一路輸入直流電壓9V至24V，輸出直流電壓5V ;另一路輸入直流電壓9V至24V，輸出直流電壓3.3V ;兩路轉(zhuǎn)換電路都以PWM型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片SP7656為核心元件，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。
[0018]模擬電壓測量模塊3，如圖2所示，包括輸入電壓保護電路11、信號調(diào)理電路12和可調(diào)模擬電壓輸出電路13 ;輸入電壓保護電路11，采用高速開關(guān)二極管BAV99對待測量的模擬電壓信號進行箝位，以保護信號調(diào)理電路；信號調(diào)理電路12，由多路兩級運算放大器電路構(gòu)成，能夠?qū)Υ郎y量的模擬電壓信號進行放大、縮小及偏置等電壓調(diào)理操作；可調(diào)模擬電壓輸出電路13，由運算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器14、精密電位器15構(gòu)成，該電路可以向外部電路提供模擬電壓輸出，可通過調(diào)節(jié)精密電位器15，輸出不超過模擬電源電壓的直流電壓。模擬電壓測量模塊3，可以用于測量外部傳感器等輸出的模擬電壓值，范圍為:0-5VDC，也可以用于測量電位器的滑動觸點位置，測量方法為:通過可調(diào)模擬電壓輸出電路13向電位器的兩個固定端加上總電壓U1，處理器通過ADC測量該總電壓Ul及滑動觸點的電壓U2，即可以計算出滑動觸點的位置。當(dāng)電位器為直線型時，記觸點的可滑動總長度為L，則當(dāng)前滑動觸點位置/ = ;當(dāng)電位器為旋轉(zhuǎn)型時，記可旋轉(zhuǎn)總角度為α，則當(dāng)前旋轉(zhuǎn)的角度# = ，
[0019]數(shù)字信號輸入模塊4，如圖3所示，包括數(shù)字輸入設(shè)置電路、外部數(shù)字信號輸入電路兩部分；數(shù)字輸入設(shè)置電路，采用兩位撥碼開關(guān)21作為輸入設(shè)置器件，經(jīng)過開關(guān)消抖芯片22輸入處理器的I/O引腳，用于進行功能設(shè)定；圖3的開關(guān)消抖芯片22內(nèi)部自帶下拉電阻，兩位撥碼開關(guān)21通過開關(guān)消抖芯片22輸入到處理器兩個I/O引腳上，當(dāng)兩位撥碼開關(guān)21都斷開時，引腳上電平為“低低”;當(dāng)兩位撥碼開關(guān)21的低位閉合、高位斷開時，引腳上電平為“低高”；當(dāng)兩位撥碼開關(guān)21的低位斷開、高位閉合時，引腳上電平為“高低”；當(dāng)兩位撥碼開關(guān)21都閉合時，引腳上電平為“高高”；當(dāng)兩個I/O引腳上的電平發(fā)生改變時，都將觸發(fā)處理器的中斷，中斷處理程序如圖5所示:程序首先通過檢測引腳上電平的高低，獲得兩位撥碼開關(guān)21的當(dāng)前狀態(tài)，然后根據(jù)該狀態(tài)進行主循環(huán)程序的設(shè)置，當(dāng)兩位撥碼開關(guān)21都斷開時，設(shè)置位姿數(shù)據(jù)解析程序為主循環(huán)程序；當(dāng)兩位撥碼開關(guān)21的低位閉合、高位斷開時，設(shè)置車輪轉(zhuǎn)角檢測程序為主循環(huán)程序；當(dāng)兩位撥碼開關(guān)21的低位斷開、高位閉合時，設(shè)置轉(zhuǎn)向控制程序為主循環(huán)程序；當(dāng)兩位撥碼開關(guān)21都閉合時，為未定義狀態(tài)，中斷服務(wù)程序進行其它操作，直接返回主程序。
[0020]外部數(shù)字信號輸入電路，采用達林頓晶體管23、上拉電阻24對輸入的數(shù)字信號進行高速電平轉(zhuǎn)換后，輸入處理器外圍設(shè)備計數(shù)器的輸入引腳，通過計數(shù)器功能可以對輸入的數(shù)字信號進行頻率測量，也可以通過該引腳的數(shù)字I/o功能檢測輸入數(shù)字信號的電平高低。
[0021 ] 數(shù)字信號輸出模塊5，如圖4所示，包括三路獨立PWM信號輸出電路，和三路數(shù)字電平信號輸出電路；六路數(shù)字輸出電路，都采用達林頓晶體管31、上拉電阻32對處理器輸出的數(shù)字信號進行電平轉(zhuǎn)換，并增加驅(qū)動能力。
[0022]數(shù)字通信模塊6，如圖1所示，包括一路RS232通信電路41、一路RS485通信電路42和一路CAN2.0通信電路43 ；RS232通信電路41，由RS232驅(qū)動芯片和用于對外接口引線的靜電放電保護芯片構(gòu)成；RS485通信電路42，由RS485驅(qū)動芯片和用于對外接口引線的靜電放電保護芯片構(gòu)成；CAN2.0通信電路43，由處理器外圍設(shè)備CAN控制器和CAN隔離收發(fā)器構(gòu)成。
[0023]綜上所述，本發(fā)明的分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點，本發(fā)明的CAN節(jié)點具有多種模擬I/o、數(shù)字I/O和通信接口，功能豐富，通用性強，為分布式農(nóng)機導(dǎo)航系統(tǒng)中傳感器信息的檢測和本地執(zhí)行器的控制提供了一種通用型的解決方案。
【權(quán)利要求】
1.一種分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點，其特征在于，由32位處理器最小系統(tǒng)連接電源模塊、模擬電壓測量模塊、數(shù)字信號輸入模塊、數(shù)字信號輸出模塊和數(shù)字通信模塊，其中， 所述32位處理器最小系統(tǒng)，由32位嵌入式處理器及其外圍電路組成； 所述電源模塊，包括兩路DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路； 所述模擬電壓測量模塊，接收外部傳感器輸出的模擬電壓，對模擬電壓進行調(diào)理，輸出不超過該模擬電壓的直流電壓； 所述數(shù)字信號輸入模塊，包括數(shù)字輸入設(shè)置電路、外部數(shù)字信號輸入電路； 所述數(shù)字信號輸出模塊，連接所述32位處理器最小系統(tǒng)的PWM輸出引腳和I/O引腳，對數(shù)字信號進行電平轉(zhuǎn)換并輸出； 包括PWM信號輸出電路和數(shù)字電平信號輸出電路；數(shù)字信號輸出電路，采用達林頓晶體管、上拉電阻對處理器輸出的數(shù)字信號進行電平轉(zhuǎn)換； 所述數(shù)字通信模塊，用于所述32位處理器最小系統(tǒng)與外部的通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點，其特征在于，所述兩路DC-DC電壓轉(zhuǎn)換電路中的一路輸入直流電壓9V至24V，輸出直流電壓5V ;另一路輸入直流電壓9V至24V，輸出直流電壓3.3V。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點，其特征在于，所述模擬電壓測量模塊包括輸入電壓保護電路、信號調(diào)理電路和可調(diào)模擬電壓輸出電路； 所述輸入電壓保護電路，采用高速開關(guān)二極管對輸入的模擬電壓信號進行箝位，以保護信號調(diào)理電路； 所述信號調(diào)理電路，由多路兩級運算放大器電路構(gòu)成； 所述可調(diào)模擬電壓輸出電路，由運算放大器構(gòu)成，根據(jù)外部負載阻抗的不同，輸出不超過模擬電源電壓的直流電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點，其特征在于，所述數(shù)字輸入設(shè)置電路以撥碼開關(guān)作為輸入設(shè)置器件，經(jīng)過開關(guān)消抖芯片連接32位處理器最小系統(tǒng)的I/O引腳，用于進行功能設(shè)定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點，其特征在于，所述外部數(shù)字信號包括達林頓晶體管和上拉電阻，輸入電路輸入數(shù)字信號，通過達林頓晶體管、上拉電阻對所述數(shù)字信號進行電平轉(zhuǎn)換，輸出端連接32位處理器最小系統(tǒng)的計數(shù)輸入引腳。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點，其特征在于，所述數(shù)字信號輸出模塊包括達林頓晶體管及其上拉電阻，由達林頓晶體管作為輸入端，上拉電阻作為輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng)通用CAN節(jié)點，其特征在于，所述數(shù)字通信模塊包括一路RS232通信電路、一路RS485通信電路和一路CAN2.0通信電路； 所述RS232通信電路由RS232驅(qū)動芯片和用于對外接口引線的靜電放電保護芯片構(gòu)成； 所述RS485通信電路，由RS485驅(qū)動芯片和用于對外接口引線的靜電放電保護芯片構(gòu)成； 所述CAN2.0通信電路，由處理器外圍設(shè)備CAN控制器和CAN隔離收發(fā)器構(gòu)成。
【文檔編號】G05B19/418GK103901886SQ201210590394
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
【發(fā)明者】胡靜濤, 高雷, 白曉平, 遲浩東, 李逃昌, 劉曉光, 王鶴 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所