??? 摘? 要： 介紹了ISO11783通信協議的基本特點，并給出了一種基于TMS320F2812 DSP實現的ISO11783總線ECU通信節點的軟硬件設計方案。
??? 關鍵詞： 通信技術? ISO11783? TMS320F2812? ECU? 農業機械
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??? 隨著拖拉機與自走式農業機械" title="農業機械">農業機械向電子化方向發展，目前農林車輛上的電子裝置也越來越多，而給農業機械添加電子設備的必然結果是：要求這些電子設備之間能夠實現相互通信。例如，拖拉機上的牽引力控制器可以和傳動機構以及發動機的控制器之間進行通信，從而達到優化性能的目的。電子通信用來協調車輛上的各個部件，允許信息在各部件之間共享，從而實現分布式控制。增加通信的費用只占整個電子化開發成本的一小部分，但卻可以給車輛帶來功能、生產效率和性能方面的重大改進[1]。
?? ?農林車輛傳統的電氣系統大多采用點對點的單通信方式，相互之間少有聯系，其結果是造成龐大的布線系統[2]。有鑒于此，國際標準化組織根據現代農業機械發展的需要，特別是精密農業領域未來的發展趨勢，制定了農林機械、拖拉機串行控制和數據通信的網絡總線協議標準，即ISO11783標準（通常稱為ISOBUS）。這個標準為在拖拉機為農具之間統一交換數據和控制指令提供了技術可能，滿足了車輛各種電氣設備信息共享的要求，并對關于農業機械的各種變量參數的定義和表示進行了規范，從而使不同原始設備制造商所開發的設備能夠做到互通互聯。本文主要對實現ISO11783總線通信的最小系統以及采用TI公司的TMS320F2812 DSP作為微處理器的ECU通信節點的軟硬件設計方案進行探討。
1 ISO11783總線特點
ISO11783參照SAE J1939、DIN 9684標準，以控制器局域網總線協議（即CAN 2.0B）作為網絡協議支持，規定了在拖拉機或農具上懸掛或安裝的各種不同設備（如：任務管理器、虛擬終端、設備控制器、傳感器和執行器）之間進行信息傳輸交換的方法和格式。
ISO11783的物理層標準用來實現電子控制單元（ECU）和網絡總線部分的電氣連接，與ISO11898規范兼容并采用符合該規范的CAN控制器及收發器。總線段最大長度為40米，數據傳輸率為250Kbps。ECU連接總數受限于總線的電氣負載能力，按照ISO11783物理層電氣參數規定，每段最多連接30個ECU。傳輸介質為四芯雙絞線，其中兩條導線分別為CAN_H和CAN_L，由通信信號驅動；另外兩條導線為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：應用于拖拉機上自身各個功能器件之間通信的拖拉機總線及用于拖拉機所安裝的各個附加功能設備（如虛擬終端、任務控制器和GPS等）以及各個農具ECU之間實現通信的設備總線[3]。其網絡結構如圖1所示。
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??? ISO11783協議在CAN 2.0B協議的基礎上具體實現了應用層" title="應用層">應用層， 將CAN 擴展幀封裝成一個單一的協議數據單元（PDU）。ISO11783PDU數據格式由七個部分構成：優先權、保留位、數據頁、PDU格式、特定PDU（目標地址、組擴展或專用）、源地址和數據域，如表1所示。這些域的信息由應用層提供。在傳輸過程中，先將PDU分隔成一個或多個CAN 數據幀，然后通過物理介質傳輸到其他網絡掛接設備上。
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優先權用于總線傳輸中優化數據延遲，保留位留待將來擴展使用，數據頁為選擇參數組擴展的輔助頁位，PDU格式(PF)有PDU1和PDU2兩種，用來確定數據域對應參數組編號。特定PDU（PS）的定義取決于PDU格式，若PF域的值小于240，則PS域是目標地址;若PF域的值在240～255之間。則PS為組擴展(GE)值。當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，不但能實現定向到特定目標地址的通信，還能提供盡可能多的參數組編號組合。已定義的專用PDU格式因制造商而異。源地址為消息發送設備在總線網絡中的地址[4]。
2 總體設計
??? 典型的基于DSP的ISO11783通信系統結構框圖如圖2所示。每個節點均由物理層接口CAN總線收發器模塊、DSP控制器模塊、應用層模塊組成。總線的每個終端需接抑制信號反射的終端電阻，其阻值應與總線介質的特性阻抗相匹配，使用雙絞線時一般取Rr＝100～200Ω。
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2.1 硬件設計
主控芯片CPU采用TI公司的TMS320F2812 DSP作為微處理器，它內部集成了完全支持CAN2.0B協議的增強型控制器局域網（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，且都可用標準的或擴展的標識符配置為發送或接收郵箱，支持數據幀和遠程幀，對發送和接收的超時現象可采用一種可編程的中斷操作。所有進行數據傳輸和接收濾波的協議功能都由eCAN控制器執行，通過DSP內的特殊功能寄存器可配置CAN控制器訪問接收到的數據以及傳輸數據[5]。因此，TMS320F2812可以完成ISO11783總線協議的數據鏈路層和應用層的所有功能。
CAN收發器采用SN65HVN230作為CAN協議控制器和物理總線之間的接口，與ISO11898標準完全兼容，可提供對總線的差動發送能力和對控制器的差動接收能力，可編程輸出轉換時間，有助于減小電磁干擾，從而提高系統可靠性；同時,還具有可編程斜率控制和休眠功能，可進一步降低系統功耗；SN65HVN230的工作電壓為3.3V，因此無需電平轉換即可實現與TMS320F2812的有效連接。具體連接電路如圖3所示。
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2.2 軟件設計
通信節點的主要功能是通過ISO11783實現各ECU之間的相互通信，發送接收命令、信息、對象池等，實現總線數據的共享，從而提高各自的控制性能和運行效率,并對來自總線的干擾進行隔離，保證ECU的可靠工作。ISO11783總線的每個節點（ECU）都有自己的網絡地址和名稱相對應。地址是ECU在網絡上發送或接收數據時用來識別自身的信息標識符，同時也可通過其網絡管理協議中的地址管理程序將單個的源地址和特殊的ECU功能聯系起來。而名稱則標識了ECU的基本功能。各個節點連續監視總線上發出的各種數據，當所收到的數據地址值與自身地址相吻合時,就接收并處理數據，然后根據相關數據類型做出回應。這樣可以有效避免多個ECU節點同時傳輸數據時所引起的混亂。
基于DSP的ECU節點通信程序是在TI公司的CCS2000集成化開發環境下編寫的，其C編譯器支持標準的ANSI C語言，因此，可以利用高級語言的特性降低編程的難度，提高程序的可維護性和縮短開發時間。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物理層標準要求設置適當的網絡位定時參數，其流程圖如圖4所示。首先要設置主控制寄存器" title="控制寄存器">控制寄存器(CANMC)的改變配置請求位(CCR)，當其為1時,eCAN才處于配置模式；然后等待錯誤狀態寄存器(CANES)的改變配置使能位(CCE)置位" title="置位">置位，當其為1時,初始化操作才能被執行；最后就可以對位定時器配置寄存器（CANBTC）的相應位進行設置，以達到所要求的總線傳輸速率。
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2.2.2 信息發送
??? 信息的發送程序由郵箱配置和發送信息兩部分組成。CPU把要發送的數據存儲在被配置為發送郵箱的某個郵箱中。假設這個郵箱通過設置對應的ME.n位已被使能，那么在將數據和標識符寫到RAM以后，且對應的TRS.n位已被置位，則郵箱中的信息將被發送出去;如果同時有多個郵箱被設置為發送郵箱和多個相應的TRS.n位被置位，則會按照郵箱優先級的高低，依次發送對應的消息。如果由于缺少仲裁或錯誤使發送失敗，則要重新嘗試發送。在此之前，CAN模塊要檢驗是否有其他的發送請示，然后以最高的優先級發送原來的消息。其信息發送流程如圖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識符和接收郵箱中的標識符進行比較，如果相等，則將接收到的標識符、控制位和數據字節寫入到相應的RAM區域,同時，將相應的接收消息未決位RMP.n置位，并且將產生一個接收中斷（如果已被使能）。然后調用相應的CAN郵箱中斷服務程序，讀取數據并復位RMP.n;反之，若標識符不相符，則消息不被存儲。如果需要保護郵箱里的數據不被新的數據覆蓋，則要置位覆蓋保護控制寄存器（CANOPC）的相應位，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 軟件設計注意問題
??? eCAN的控制和狀態寄存器要求以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行操作，編譯器會把訪問變為16位的訪問方式" title="訪問方式">訪問方式，但對高16位進行寫操作時，可能會破壞控制寄存器中的內容。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，以此來強制實現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，在中斷處理過程當中，為了讓CPU內核識別并處理CAN中斷，在任何CAN中斷服務程序（ISR）中必須進行如下操作：
??? (1)必須首先清除寄存器CANGIF0/CANGIF1中引起中斷的標志位。根據標志類型可通過寫入1或對相關寄存器的相應位進行寫操作來清除。
??? (2)CAN模塊對應的PIEACK位必須寫入1。其C語言實現為：
???????? PieCtrlRegs.PIEACK.bit.ACK9 =1；? //使能PIE
??? (3)必須使能CAN模塊對應的中斷線。
??? ????? 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。其匯編語言實現為：asm('clrc INTM')。
??? 從國內外發展來看，ISO11783通信協議已成為當前農林機械信息化建設的一個最為重要的標準和依據，而基于此協議的ECU通信節點的設計在整個車輛網絡的構建當中是必不可少的。通過對拖拉機虛擬終端和變速器控制器之間的通信實驗結果分析表明，本文所提出的設計方案能夠正常實現符合ISO11783協議要求的通信功能，并保證了系統運行的穩定性和可靠性。
參考文獻
[1] STONE M L, MCKEE K D, FORMWALT C W, et al.?ISO11783: An electronic communications protocol for?agricultural equipment[A]. Agricultural Equipment Technology Conference (Louisville, Kentucky, USA). ASAE?Publication Number 913C1798, 1999.
[2] 程軍,茍凱英.車輛控制系統總線通信和控制協議SAEJ 1939[J].世界汽車,2000,(2):19-21.
[3]?FELLMETH P. CAN-based tractor-agricultural implement?communication ISO11783 [EB/OL]. 2003-09.
?? ?http://www.can-cia.org/j1939based/iso11783/isobus.pdf.
[4] ISO11783: Tractors and machinery for agriculture and?forestry－serial control and communications data network[S].2004.
[5]?張衛寧.TMS320C28x系列DSP的CPU與外設[M].北京：清華大學出版社，2005:561-613.
[6] TI.Programming examples for the TMS320F281x eCAN[M],2003.