通用变量作业控制器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及农机自动化及智能化领域，具体涉及一种用于农田播种、施肥、喷药等变量作业的通用变量作业控制器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]田间变量作业技术是精准农业的田间实现方法，也是体现精准农业思想和效果的关键步骤。田间变量作业技术根据农田内部各个区域作物生长环境的差异性，科学管理，因地制宜，按需变量投入，改变了传统的平均投入的田间管理方法，减少了肥料、农药等的田间投入量，节约了资源，最大限度的发挥了土壤、农药和肥料的利用率，提高了农产品的质量和安全性，增加了农民的经济收入，实现了农业生产的可持续发展。经过多年的发展，发达国家已经形成了精准播种、施肥、施药、灌溉、收获等技术体系，配套产品也相继开发、销售与应用。国内对于变量作业技术的研究和实践，主要以引进、消化吸收国外技术为主，且研究大部分局限于单一的变量作业领域，没有形成完整的变量作业系统，具有功能单一、通用性不强、可扩展性差和通信接口不规范等缺点。
【发明内容】
[0003]为解决大田作业变量作业控制系统的功能单一、通用性不强、可扩展性差和通信接口不规范等缺点，本发明针对我国大田作物管理中常用农机具类型，设计了一种根据作业处方图、农机的行驶速度及其田间的位置精确地实现轮式农机行驶速度、气吸式变量播种、外槽轮式变量施肥、喷杆式变量喷药的控制器及其控制方法。
[0004]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种通用变量作业控制器，包括:
[0005]信号采集单元，输出端连接核心单元，用于采集变量作业过程中的作业状态信息；
[0006]核心单元，输入端连接信号采集单元，输出端连接执行驱动单元，用于
[0007]执行驱动单元，输入端连接核心单元，用于实现各种变量作业系统不同的执行机构的驱动；
[0008]CAN通信单元，连接核心单元，用于与其他的变量作业系统通信。
[0009]所述信号采集单元包括:
[0010]脉冲信号调理模块，用于将四路不同幅值的脉冲信号经过光耦隔离和电压调整后所述核心单元的定时计数器的捕获输入端口进行测量；
[0011]电流测量模块，包括万分之一精密电阻和运算放大器；通过万分之一精密电阻将电流信号转换为电压信号，经运算放大器将电压调整到所述核心单元的测量范围，由所述核心单元的模数转换器测量；
[0012]电压测量模块，为集成运放，将电压放大或缩小到所述核心单元测量的电压范围内，由所述核心单元内部的模数转换器测量。
[0013]所述核心单元由ARM9核心单元和电源模块构成ARM9最小系统；
[0014]所述ARM9核心单元，包括基于32位ARM9内核的处理器、存储器扩展，用于根据作业状态信息得到相应的控制信号；
[0015]所述电源模块，为PWM控制模式的异步DC-DC降压型稳压器，为ARM9核心单元和外围控制电路提供所需的5v、3.3vU2v电源电压。
[0016]所述执行驱动单元包括推杆驱动模块、电磁阀控制模块、电机控制模块、电压输出模块；
[0017]所述推杆驱动模块，包括电机驱动电路、信号调理电路、电位器和电动推杆；处理器通过ARM核心单元的I/O 口控制电机驱动电路中的双全桥电机专用驱动芯片输出电流的大小和方向，电机驱动电路输出连接至电动推杆，控制电动推杆的推动方向；电动推杆的位置反馈信号连接到信号调理电路中，经过信号调理后，反馈信号输入至ARM核心单元的模数转换输入引脚上，由ARM处理器进行推杆位置的测量；
[0018]所述电磁阀控制模块，包括缓冲电路、模拟开关电路、固态继电器和电磁阀；ARM核心单元输出的PWM信号，经过缓冲电路连接至模拟开关电路，模拟开关电路将经过驱动能力增强的PWM信号输入固态继电器的控制端，固态继电器的输出端与电磁阀相连，通过控制固态继电器的吸合和开路，从而实现电磁阀的大开和关闭；
[0019]所述电机控制模块，采用了外置的定时/计数芯片产生频率可调四路的脉冲信号来控制步进电机转速，同时通过I/o 口控制电机转动方向，用于变量施肥播种系统中直流电机或步进电机的调速控制；
[0020]所述电压输出模块，包括数字电位器和电压跟随器，数字电位器与ARM核心单元通过I2C接口相连，通过ARM核心单元控制数字电位器输出0-5V连续可变电压，并经过电压跟随器进行驱动增强后输出。
[0021]所述PWM信号发生电路采用了外置的定时/计数芯片产生频率和占空比可调节的PWM脉冲信号。
[0022]所述信号调理电路采用了具有三态输出的八路缓冲器电路I路信号分成6路、模拟开关电路控制各路PWM信号的通断，达林顿晶体管阵列增加驱动能力来驱动固态继电器进而控制电磁阀的开关。
[0023]所述CAN通信单元由外扩的CAN控制器和CAN收发器组成，以自定义的数据格式与其它的变量作业系统设备通信。
[0024]一种通用变量作业控制器的控制方法，包括以下步骤:
[0025]S1、板级初始化并建立CAN解析任务、变量作业主任务、速度控制任务、变量施肥任务，变量播种任务，变量喷药任务；执行系统调度程序,运行CAN解析任务和变量作业主任务，挂起其余四个控制任务；
[0026]S2、CAN解析任务从CAN总线上接收并保存变量作业相关信息
[0027]作业农机具类型、机具参数、处方图等；
[0028]S3、当CAN解析任务接收到开启变量作业命令，释放对应信号量，变量作业主任务在得到开启信号量后，根据作业机具的类型启动对应的变量控制任务，初始化相应参数；
[0029]S4、变量控制任务根据CAN解析任务接收到的农机具所在的位置，查询处方图得到农田在该位置的处方信息，并根据农机的行驶速度得到变量作业的控制量，实现变量作业控制；在CAN解析任务未接收到停止变量作业命令前，重复本步骤；
[0030]S5、当CAN解析任务接收到停止变量作业命令后，释放停止变量作业信号量，挂起正在执行的变量作业控制，保存相应的控制参数，变量作业结束。
[0031]所述步骤S4包括:
[0032]S4.1、速度控制任务，将实时测得的农机行驶速度值与处方图设定的行驶速度值进行比较，控制农机的行驶速度稳定在设定值；
[0033]S4.2、变量施肥任务，测量施肥轴转速，控制施肥电机转速进而控制施肥量达到目标值；
[0034]S4.3、变量播种任务，测量播种轴转速以及种子掉落信号，控制播种电机转速，实现株距及播种量控制；
[0035]S4.4、变量喷药任务，根据管道压力和流量信息，调节比例电磁阀开度控制压力，调制电磁阀开关时间控制流量。
[0036]所述CAN解析任务用于CAN总线上各种变量作业相关信息的获取、解析和并根据需要释放相应的信号量；变量作业相关信息包括农机田间GPS位置、控制命令信息、农机行驶速度信息，机具类型和参数信息。
[0037]本发明具有以下优点及有益效果:
[0038]1.该通用变量作业控制器与相应的传感器和执行机构相配合，通过CAN总线配置可用于气吸式播种、外槽轮式施肥、喷杆式喷药的变量作业控制，同时控制轮式农机行驶速度，为变量作业提供稳定的行驶速度；实现对多种田间作业机械的控制，实现播种、施肥、喷药等变量作业控制，改变了原有控制器功能单一的缺点，同时能控制拖挂农机具的轮式农机行驶在稳定的设定速度，提高变量作业的精度。
[0039]2.本发明的通用变量作业控制器采用CAN通信模块使通信接口规范，能够与其它精准农业产品配合。
[0040]3.本发明的通用变量作业软件设计基于嵌入式操作系统，采用多任务、事件触发的程序设计思想，程序实时性好，扩展性强。
【附图说明】
[0041]图1为通用变量作业控制器整体结构示意图；
[0042]图2为通用变量作业控制器信号采集单元示意图；