??? 摘? 要： 介紹了ISO11783通信協(xié)議的基本特點，并給出了一種基于TMS320F2812 DSP實現(xiàn)的ISO11783總線ECU通信節(jié)點的軟硬件設(shè)計方案。
??? 關(guān)鍵詞： 通信技術(shù)? ISO11783? TMS320F2812? ECU? 農(nóng)業(yè)機(jī)械

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??? 隨著拖拉機(jī)與自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械" title="農(nóng)業(yè)機(jī)械">農(nóng)業(yè)機(jī)械向電子化方向發(fā)展，目前農(nóng)林車輛上的電子裝置也越來越多，而給農(nóng)業(yè)機(jī)械添加電子設(shè)備的必然結(jié)果是：要求這些電子設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互通信。例如，拖拉機(jī)上的牽引力控制器可以和傳動機(jī)構(gòu)以及發(fā)動機(jī)的控制器之間進(jìn)行通信，從而達(dá)到優(yōu)化性能的目的。電子通信用來協(xié)調(diào)車輛上的各個部件，允許信息在各部件之間共享，從而實現(xiàn)分布式控制。增加通信的費用只占整個電子化開發(fā)成本的一小部分，但卻可以給車輛帶來功能、生產(chǎn)效率和性能方面的重大改進(jìn)^[1]。
?? ?農(nóng)林車輛傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點對點的單通信方式，相互之間少有聯(lián)系，其結(jié)果是造成龐大的布線系統(tǒng)^[2]。有鑒于此，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的需要，特別是精密農(nóng)業(yè)領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢，制定了農(nóng)林機(jī)械、拖拉機(jī)串行控制和數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即ISO11783標(biāo)準(zhǔn)（通常稱為ISOBUS）。這個標(biāo)準(zhǔn)為在拖拉機(jī)為農(nóng)具之間統(tǒng)一交換數(shù)據(jù)和控制指令提供了技術(shù)可能，滿足了車輛各種電氣設(shè)備信息共享的要求，并對關(guān)于農(nóng)業(yè)機(jī)械的各種變量參數(shù)的定義和表示進(jìn)行了規(guī)范，從而使不同原始設(shè)備制造商所開發(fā)的設(shè)備能夠做到互通互聯(lián)。本文主要對實現(xiàn)ISO11783總線通信的最小系統(tǒng)以及采用TI公司的TMS320F2812 DSP作為微處理器的ECU通信節(jié)點的軟硬件設(shè)計方案進(jìn)行探討。
1 ISO11783總線特點
　　ISO11783參照SAE J1939、DIN 9684標(biāo)準(zhǔn)，以控制器局域網(wǎng)總線協(xié)議（即CAN 2.0B）作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持，規(guī)定了在拖拉機(jī)或農(nóng)具上懸掛或安裝的各種不同設(shè)備（如：任務(wù)管理器、虛擬終端、設(shè)備控制器、傳感器和執(zhí)行器）之間進(jìn)行信息傳輸交換的方法和格式。
　　ISO11783的物理層標(biāo)準(zhǔn)用來實現(xiàn)電子控制單元（ECU）和網(wǎng)絡(luò)總線部分的電氣連接，與ISO11898規(guī)范兼容并采用符合該規(guī)范的CAN控制器及收發(fā)器?？偩€段最大長度為40米，數(shù)據(jù)傳輸率為250Kbps。ECU連接總數(shù)受限于總線的電氣負(fù)載能力，按照ISO11783物理層電氣參數(shù)規(guī)定，每段最多連接30個ECU。傳輸介質(zhì)為四芯雙絞線，其中兩條導(dǎo)線分別為CAN_H和CAN_L，由通信信號驅(qū)動；另外兩條導(dǎo)線為TBC_PWR和TBC_RTN，為總線段上的終端偏置電路（TBC）供電線。整個11783總線至少被分成兩個部分：應(yīng)用于拖拉機(jī)上自身各個功能器件之間通信的拖拉機(jī)總線及用于拖拉機(jī)所安裝的各個附加功能設(shè)備（如虛擬終端、任務(wù)控制器和GPS等）以及各個農(nóng)具ECU之間實現(xiàn)通信的設(shè)備總線^[3]。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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??? ISO11783協(xié)議在CAN 2.0B協(xié)議的基礎(chǔ)上具體實現(xiàn)了應(yīng)用層" title="應(yīng)用層">應(yīng)用層， 將CAN 擴(kuò)展幀封裝成一個單一的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。ISO11783PDU數(shù)據(jù)格式由七個部分構(gòu)成：優(yōu)先權(quán)、保留位、數(shù)據(jù)頁、PDU格式、特定PDU（目標(biāo)地址、組擴(kuò)展或?qū)Ｓ茫?、源地址和?shù)據(jù)域，如表1所示。這些域的信息由應(yīng)用層提供。在傳輸過程中，先將PDU分隔成一個或多個CAN 數(shù)據(jù)幀，然后通過物理介質(zhì)傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)掛接設(shè)備上。

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　　優(yōu)先權(quán)用于總線傳輸中優(yōu)化數(shù)據(jù)延遲，保留位留待將來擴(kuò)展使用，數(shù)據(jù)頁為選擇參數(shù)組擴(kuò)展的輔助頁位，PDU格式(PF)有PDU1和PDU2兩種，用來確定數(shù)據(jù)域?qū)?yīng)參數(shù)組編號。特定PDU（PS）的定義取決于PDU格式，若PF域的值小于240，則PS域是目標(biāo)地址;若PF域的值在240～255之間。則PS為組擴(kuò)展(GE)值。當(dāng)PF＝239時，為專用PDU1格式；PF＝255時，為專用PDU2格式。使用兩種PDU 格式，不但能實現(xiàn)定向到特定目標(biāo)地址的通信，還能提供盡可能多的參數(shù)組編號組合。已定義的專用PDU格式因制造商而異。源地址為消息發(fā)送設(shè)備在總線網(wǎng)絡(luò)中的地址^[4]。
2 總體設(shè)計
??? 典型的基于DSP的ISO11783通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。每個節(jié)點均由物理層接口CAN總線收發(fā)器模塊、DSP控制器模塊、應(yīng)用層模塊組成。總線的每個終端需接抑制信號反射的終端電阻，其阻值應(yīng)與總線介質(zhì)的特性阻抗相匹配，使用雙絞線時一般取R_r＝100～200Ω。

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2.1 硬件設(shè)計
　　主控芯片CPU采用TI公司的TMS320F2812 DSP作為微處理器，它內(nèi)部集成了完全支持CAN2.0B協(xié)議的增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng)（eCAN）模塊，有32個郵箱，每個郵箱具有獨立可編程的接收過濾屏蔽，且都可用標(biāo)準(zhǔn)的或擴(kuò)展的標(biāo)識符配置為發(fā)送或接收郵箱，支持?jǐn)?shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀，對發(fā)送和接收的超時現(xiàn)象可采用一種可編程的中斷操作。所有進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收濾波的協(xié)議功能都由eCAN控制器執(zhí)行，通過DSP內(nèi)的特殊功能寄存器可配置CAN控制器訪問接收到的數(shù)據(jù)以及傳輸數(shù)據(jù)^[5]。因此，TMS320F2812可以完成ISO11783總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的所有功能。
　　CAN收發(fā)器采用SN65HVN230作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，可提供對總線的差動發(fā)送能力和對控制器的差動接收能力，可編程輸出轉(zhuǎn)換時間，有助于減小電磁干擾，從而提高系統(tǒng)可靠性；同時,還具有可編程斜率控制和休眠功能，可進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗；SN65HVN230的工作電壓為3.3V，因此無需電平轉(zhuǎn)換即可實現(xiàn)與TMS320F2812的有效連接。具體連接電路如圖3所示。

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2.2 軟件設(shè)計
　　通信節(jié)點的主要功能是通過ISO11783實現(xiàn)各ECU之間的相互通信，發(fā)送接收命令、信息、對象池等，實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)的共享，從而提高各自的控制性能和運(yùn)行效率,并對來自總線的干擾進(jìn)行隔離，保證ECU的可靠工作。ISO11783總線的每個節(jié)點（ECU）都有自己的網(wǎng)絡(luò)地址和名稱相對應(yīng)。地址是ECU在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時用來識別自身的信息標(biāo)識符，同時也可通過其網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議中的地址管理程序?qū)蝹€的源地址和特殊的ECU功能聯(lián)系起來。而名稱則標(biāo)識了ECU的基本功能。各個節(jié)點連續(xù)監(jiān)視總線上發(fā)出的各種數(shù)據(jù)，當(dāng)所收到的數(shù)據(jù)地址值與自身地址相吻合時,就接收并處理數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)類型做出回應(yīng)。這樣可以有效避免多個ECU節(jié)點同時傳輸數(shù)據(jù)時所引起的混亂。
　　基于DSP的ECU節(jié)點通信程序是在TI公司的CCS2000集成化開發(fā)環(huán)境下編寫的，其C編譯器支持標(biāo)準(zhǔn)的ANSI C語言，因此，可以利用高級語言的特性降低編程的難度，提高程序的可維護(hù)性和縮短開發(fā)時間。程序主要包括eCAN模塊的初始化、中斷接收處理以及信息發(fā)送等程序。
2.2.1 eCAN模塊初始化
　　eCAN模塊使用前必須初始化，按照ISO11783物理層標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)位定時參數(shù)，其流程圖如圖4所示。首先要設(shè)置主控制寄存器" title="控制寄存器">控制寄存器(CANMC)的改變配置請求位(CCR)，當(dāng)其為1時,eCAN才處于配置模式；然后等待錯誤狀態(tài)寄存器(CANES)的改變配置使能位(CCE)置位" title="置位">置位，當(dāng)其為1時,初始化操作才能被執(zhí)行；最后就可以對位定時器配置寄存器（CANBTC）的相應(yīng)位進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到所要求的總線傳輸速率。

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2.2.2 信息發(fā)送
??? 信息的發(fā)送程序由郵箱配置和發(fā)送信息兩部分組成。CPU把要發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲在被配置為發(fā)送郵箱的某個郵箱中。假設(shè)這個郵箱通過設(shè)置對應(yīng)的ME.n位已被使能，那么在將數(shù)據(jù)和標(biāo)識符寫到RAM以后，且對應(yīng)的TRS.n位已被置位，則郵箱中的信息將被發(fā)送出去;如果同時有多個郵箱被設(shè)置為發(fā)送郵箱和多個相應(yīng)的TRS.n位被置位，則會按照郵箱優(yōu)先級的高低，依次發(fā)送對應(yīng)的消息。如果由于缺少仲裁或錯誤使發(fā)送失敗，則要重新嘗試發(fā)送。在此之前，CAN模塊要檢驗是否有其他的發(fā)送請示，然后以最高的優(yōu)先級發(fā)送原來的消息。其信息發(fā)送流程如圖5所示。

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2.2.3 中斷接收程序
????通過使用合適的屏蔽，將每一個接收消息的標(biāo)識符和接收郵箱中的標(biāo)識符進(jìn)行比較，如果相等，則將接收到的標(biāo)識符、控制位和數(shù)據(jù)字節(jié)寫入到相應(yīng)的RAM區(qū)域,同時，將相應(yīng)的接收消息未決位RMP.n置位，并且將產(chǎn)生一個接收中斷（如果已被使能）。然后調(diào)用相應(yīng)的CAN郵箱中斷服務(wù)程序，讀取數(shù)據(jù)并復(fù)位RMP.n;反之，若標(biāo)識符不相符，則消息不被存儲。如果需要保護(hù)郵箱里的數(shù)據(jù)不被新的數(shù)據(jù)覆蓋，則要置位覆蓋保護(hù)控制寄存器（CANOPC）的相應(yīng)位，并要有其他郵箱用來存儲“溢出”的消息，否則可能會丟失消息而無任何提示。其信息接收流程如圖6所示。

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3 軟件設(shè)計注意問題
??? eCAN的控制和狀態(tài)寄存器要求以32位方式訪問。在采用高級語言編寫程序時，如果直接對寄存器的位進(jìn)行操作，編譯器會把訪問變?yōu)?6位的訪問方式" title="訪問方式">訪問方式，但對高16位進(jìn)行寫操作時，可能會破壞控制寄存器中的內(nèi)容。解決的辦法是：使用1個32位的臨時寄存器，先把欲操作的整個寄存器的內(nèi)容讀入到臨時寄存器中，此操作是32位的訪問方式。在臨時寄存器中對其中的某些位進(jìn)行操作，然后再把值以32位寫的方式賦給eCAN控制寄存器，以此來強(qiáng)制實現(xiàn)32位訪問方式[6]。實例如下：
??? struct ECAN_REGS ECanaShadow;
??? ECanaShadow.CANMC.all= ECanaRegs.CANMC.all;
??? ECanaShadow.CANMC.bit.CCR=1;????????? //Set CCR=1
??? ECanaRegs.CANMC.all= ECanaShadow.CANMC.all;
　　此外，在中斷處理過程當(dāng)中，為了讓CPU內(nèi)核識別并處理CAN中斷，在任何CAN中斷服務(wù)程序（ISR）中必須進(jìn)行如下操作：
??? (1)必須首先清除寄存器CANGIF0/CANGIF1中引起中斷的標(biāo)志位。根據(jù)標(biāo)志類型可通過寫入1或?qū)ο嚓P(guān)寄存器的相應(yīng)位進(jìn)行寫操作來清除。
??? (2)CAN模塊對應(yīng)的PIEACK位必須寫入1。其C語言實現(xiàn)為：
???????? PieCtrlRegs.PIEACK.bit.ACK9 =1；? //使能PIE
??? (3)必須使能CAN模塊對應(yīng)的中斷線。
??? ????? IER |= 0x0100；???????????????? //使能INT9
??? (4)必須通過清除INTM位來使CPU中斷處于全局使能。其匯編語言實現(xiàn)為：asm('clrc INTM')。
??? 從國內(nèi)外發(fā)展來看，ISO11783通信協(xié)議已成為當(dāng)前農(nóng)林機(jī)械信息化建設(shè)的一個最為重要的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，而基于此協(xié)議的ECU通信節(jié)點的設(shè)計在整個車輛網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建當(dāng)中是必不可少的。通過對拖拉機(jī)虛擬終端和變速器控制器之間的通信實驗結(jié)果分析表明，本文所提出的設(shè)計方案能夠正常實現(xiàn)符合ISO11783協(xié)議要求的通信功能，并保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。
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