农机装备传感器智能型接口适配器的设计

0 引言

现今已进入全面信息社会，信息农业的迅猛发展为传感器在农业方面的应用开拓了广阔的空间。在各种农作物的育苗、生产、收获、储藏与流通等环节，广泛使用各种传感器，使智能型传感器接口研究得到重视。

不同类型的现场总线在功能、性能和价格等方面有很大区别，各有其特色应用领域。就目前而言，没有哪一种现场总线能够完全适用所有的应用领域，多种现场总线并存的局面还将在一个很长的时间内存在。为解决在现实生产中多种传输方式并行、转换单一的问题，对农业装备中智能型传感器接口的研究具有重要意义和应用价值。RS-485标准适合多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模抑制范围，所以选择RS-485作为本研究智能型传感器接口的输出传输总线通信。

1 控制系统设计

智能型传感器接口实现了多种信息采集与RS-485信号的转换处理，简化了当前农业机械中多线路信号处理的监控系统操作，可方便地应用于使用RS-485接口通信的网络接口、工农业现场控制单元和智能网络接口中。

为使本系统硬件接口简单化、降低成本、适当缩短开发周期，系统中应尽可能减少外围器件。智能传感器接口协议转换应用程序采用了模块化和结构化的设计思想，总体结构由4部分组成：数据采集，数据转换模块、数据选择与处理及数据输出。硬件整体结构如图1所示。数据采集与转换模块中，CAN/RS-485模块完成CAN总线与RS-485转化功能，RS-232/RS-485模块完成RS-232与RS-485转化功能。数据选择与处理为主控模块，负责完成整个系统的控制，最终数据输出模块采用RS-485作为通信网络与上位机信号传输方式。该智能型接口适配器适用于接收CAN总线、RS-232和RS-485的信息网络环境。

图1 智能型传感器硬件设计框图

Fig.1 Hardware design diagram of Intelligent Sensor

智能型传感器接口适配器是以AT89C52为核心的具有RS-485通信功能的数据传输中介，输入端CAN、RS-232、RS-485接口与相应传感器相连；输出端RS-485与上位机相连，实现相关的参数设置。适配器在正常工作时，通信端口指示灯闪烁，液晶显示屏显示工作状态；RS-485设备接收数据会自动根据接收到的帧，自动判断该帧是否发往本节点，然后做出相应处理。该适配器已经成为对农业现场播种机、耕地机和收获机等信息采集向人机交互界面传递的桥梁。

1.1 CAN-RS-485转换模块

由于CAN总线具有通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低等特点，已成为现场总线中的应用热点。为实现终端信息采集接口统一，将CAN-RS-485作为本适配器数据转换重要模块之一。

CAN接口电路由CAN控制器SJA1000、CAN总线收发器TJA1050T及协议控制器MCP2505组成，转换原理如图2所示。

图2 CAN与RS-485转换模块原理图

Fig.2 CAN and RS-485 converter module schematic

在RS-485接口电路中，采用MAX485芯片作为总线接收器，该芯片是+5V低功耗半双工器件。MAX485的驱动器输出是差分输出，完全满足RS-485串行协议的要求，兼容工业标准规范。

为了使硬件正常而有序地工作，需要对CPU进行软件编制、调试和优化。CAN总线通信模块包括对SJAl000的初始化以及数据接收和发送程序，如图3所示。

图3 程序流程图

Fig.3 Program flow chart

主程序循环部分循环检测是否有错误：如果有错误，进入错误处理程序进行处理；如果没有错误，继续循环，等待中断请求，响应中断后进入相应的中断程序。

初始化部分包括单片机初始化和SJA1000的初始化。AT89C52的初始化主要是对总线片选、串口工作方式、串口波特率、中断等赋初值。控制器SJAl000是一种独立控制器，能够储存一个完整的报文，具有可编程的CAN输出驱动器配置。它完成CAN总线数据帧的发送和接收任务，初始化主要设置模式寄存器、时钟分频寄存器、验收滤波寄存器、验收屏蔽寄存器、总线定时器和输出控制器。

当协议转换器接收到某一侧总线上有数据发送时，立即做出反应，对数据进行解析并将其封装为相应格式存入缓冲区；然后，按设定的工作方式处理并转换到另一侧的总线，实现数据格式的转换，即把RS485总线上的数据帧从接收到的CAN数据帧中提取出来发往RS-485设备。由此该模块实现了CAN总线数据与RS-485总线数据之间的互联通讯，成为一种过渡衔接性器件。

1.2 RS-232和RS-485转换模块

在现代农业控制中，RS-232适合短距离、低速率通信，作为通信中标准的串行接口，较广泛地应用于传感器信息采集与通信中；但大多数分布式控制系统，通信距离为几十米到几千米不等，RS-232接口不能满足系统的要求。目前，广泛采用的是RS-485收发器，RS-232和RS-485串口通信转换模块实现该部分的协议转换，其硬件电路如图4所示。

图4 RS-232与RS-485转换模块原理图
Fig.4 RS-232 and RS-485 converter module schematic

RS-485是差分方式收发数据，所以具有更高的抗干扰能力。在RS-485接口电路中采用MAX485芯片作为总线接收器，它是+5V低功耗半双工器件。MAX485的驱动器输出是差分输出，完全满足RS-485串行协议的要求，兼容工业标准规范。RS-485接口的处理芯片MAX485中接收和发送管脚连接到单片机的RXD和TXD脚上，所以RS-485模块的接收发送就是单片机串口进行接收和发送。RS-485的接收和发送也是采用中断方式，由于发送数据和接收数据都会引起串口中断，进入中断服务程序后判断是接收还是发送主要通过查看RI和TI标志位，并根据标志位跳转到相应的处理部分。主控制器可以接收来时RS-485总线的数据，在任意时刻，MAX485芯片中的“接收器”和“发送器”只能有1个处于工作状态。

2 现场监控单元中的应用

由于缺乏成熟的低成本高密度、高精度、高可靠性的获取农机作业信息的技术，在田间信息采样的间距较大时，采集不同实时数据使用传感器种类不同造成接口的信息传输障碍。为提高农机作业数据传输效率，需解决数据传输与处理过程出现多线、多转换的问题。本设计避免人工频繁切换接口和控制接口通断，实现远程计算机能按需求检测接口数据并储存，监控系统运行时负责各个单元数据采集器下传感器的数据状态，判断和显示各传感器的实时情况。该接口适配器可便携地安置在农间作业机器上，整个监控系统(见图5)实时接收对包括播种机、耕地机和收获机等多处的数据信息，分别采用RS-232、RS-485、CAN总线网络对数据进行采集，通过RS-485接口与监控机通信。因此，本设计中多种数据与RS-485的智能型传感器接口转换器成为信息传输的媒介。

图5 网络化监控系统
Fig.5 Network monitoring system

在整个系统中，总线上传感器采集的数据传输到监控机以及监控机对总线上的数据下达控制命令都需要借助本传感器接口来完成，实现了现场信号采集与计算机之间的数据交换与通信。通过该转换器能够将现场数据准确、稳定地传输给计算机，提高了工作效率，减少了系统在拔插接口时的硬件损耗；同时，在农作环境中减少人力和物力，具有很好的实践价值和广阔的应用前景。

3 结语

目前多种现场总线标准并存已成为客观事实，在实际应用中常常需要在不同种类的总线间进行数据通信。为了解决此问题，本文所研究的智能型传感器接口可实现所在农业现场播种机、耕地机和收获机等多信号参数进行数据转换、监控及显示当前数据传输状态，并设置其开关接收状态，将这些参数统一通过RS-485网络送至主控计算机，供主监控人员了解及掌握相关信息，将人们长期对农机设备使用经验融入到对现场硬件的改善中。协议转换技术的深入研究和应用，将有助于在更大程度上推动现场总线的发展和普及。