通用變量作業控制器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及農機自動化及智能化領域，具體涉及一種用于農田播種、施肥、噴藥等變量作業的通用變量作業控制器及其控制方法。
【背景技術】
[0002]田間變量作業技術是精準農業的田間實現方法，也是體現精準農業思想和效果的關鍵步驟。田間變量作業技術根據農田內部各個區域作物生長環境的差異性，科學管理，因地制宜，按需變量投入，改變了傳統的平均投入的田間管理方法，減少了肥料、農藥等的田間投入量，節約了資源，最大限度的發揮了土壤、農藥和肥料的利用率，提高了農產品的質量和安全性，增加了農民的經濟收入，實現了農業生產的可持續發展。經過多年的發展，發達國家已經形成了精準播種、施肥、施藥、灌溉、收獲等技術體系，配套產品也相繼開發、銷售與應用。國內對于變量作業技術的研究和實踐，主要以引進、消化吸收國外技術為主，且研究大部分局限于單一的變量作業領域，沒有形成完整的變量作業系統，具有功能單一、通用性不強、可擴展性差和通信接口不規范等缺點。
【發明內容】
[0003]為解決大田作業變量作業控制系統的功能單一、通用性不強、可擴展性差和通信接口不規范等缺點，本發明針對我國大田作物管理中常用農機具類型，設計了一種根據作業處方圖、農機的行駛速度及其田間的位置精確地實現輪式農機行駛速度、氣吸式變量播種、外槽輪式變量施肥、噴桿式變量噴藥的控制器及其控制方法。
[0004]本發明為實現上述目的所采用的技術方案是:一種通用變量作業控制器，包括:
[0005]信號采集單元，輸出端連接核心單元，用于采集變量作業過程中的作業狀態信息；
[0006]核心單元，輸入端連接信號采集單元，輸出端連接執行驅動單元，用于
[0007]執行驅動單元，輸入端連接核心單元，用于實現各種變量作業系統不同的執行機構的驅動；
[0008]CAN通信單元，連接核心單元，用于與其他的變量作業系統通信。
[0009]所述信號采集單元包括:
[0010]脈沖信號調理模塊，用于將四路不同幅值的脈沖信號經過光耦隔離和電壓調整后所述核心單元的定時計數器的捕獲輸入端口進行測量；
[0011]電流測量模塊，包括萬分之一精密電阻和運算放大器；通過萬分之一精密電阻將電流信號轉換為電壓信號，經運算放大器將電壓調整到所述核心單元的測量范圍，由所述核心單元的模數轉換器測量；
[0012]電壓測量模塊，為集成運放，將電壓放大或縮小到所述核心單元測量的電壓范圍內，由所述核心單元內部的模數轉換器測量。
[0013]所述核心單元由ARM9核心單元和電源模塊構成ARM9最小系統；
[0014]所述ARM9核心單元，包括基于32位ARM9內核的處理器、存儲器擴展，用于根據作業狀態信息得到相應的控制信號；
[0015]所述電源模塊，為PWM控制模式的異步DC-DC降壓型穩壓器，為ARM9核心單元和外圍控制電路提供所需的5v、3.3vU2v電源電壓。
[0016]所述執行驅動單元包括推桿驅動模塊、電磁閥控制模塊、電機控制模塊、電壓輸出模塊；
[0017]所述推桿驅動模塊，包括電機驅動電路、信號調理電路、電位器和電動推桿；處理器通過ARM核心單元的I/O 口控制電機驅動電路中的雙全橋電機專用驅動芯片輸出電流的大小和方向，電機驅動電路輸出連接至電動推桿，控制電動推桿的推動方向；電動推桿的位置反饋信號連接到信號調理電路中，經過信號調理后，反饋信號輸入至ARM核心單元的模數轉換輸入引腳上，由ARM處理器進行推桿位置的測量；
[0018]所述電磁閥控制模塊，包括緩沖電路、模擬開關電路、固態繼電器和電磁閥；ARM核心單元輸出的PWM信號，經過緩沖電路連接至模擬開關電路，模擬開關電路將經過驅動能力增強的PWM信號輸入固態繼電器的控制端，固態繼電器的輸出端與電磁閥相連，通過控制固態繼電器的吸合和開路，從而實現電磁閥的大開和關閉；
[0019]所述電機控制模塊，采用了外置的定時/計數芯片產生頻率可調四路的脈沖信號來控制步進電機轉速，同時通過I/o 口控制電機轉動方向，用于變量施肥播種系統中直流電機或步進電機的調速控制；
[0020]所述電壓輸出模塊，包括數字電位器和電壓跟隨器，數字電位器與ARM核心單元通過I2C接口相連，通過ARM核心單元控制數字電位器輸出0-5V連續可變電壓，并經過電壓跟隨器進行驅動增強后輸出。
[0021]所述PWM信號發生電路采用了外置的定時/計數芯片產生頻率和占空比可調節的PWM脈沖信號。
[0022]所述信號調理電路采用了具有三態輸出的八路緩沖器電路I路信號分成6路、模擬開關電路控制各路PWM信號的通斷，達林頓晶體管陣列增加驅動能力來驅動固態繼電器進而控制電磁閥的開關。
[0023]所述CAN通信單元由外擴的CAN控制器和CAN收發器組成，以自定義的數據格式與其它的變量作業系統設備通信。
[0024]一種通用變量作業控制器的控制方法，包括以下步驟:
[0025]S1、板級初始化并建立CAN解析任務、變量作業主任務、速度控制任務、變量施肥任務，變量播種任務，變量噴藥任務；執行系統調度程序,運行CAN解析任務和變量作業主任務，掛起其余四個控制任務；
[0026]S2、CAN解析任務從CAN總線上接收并保存變量作業相關信息
[0027]作業農機具類型、機具參數、處方圖等；
[0028]S3、當CAN解析任務接收到開啟變量作業命令，釋放對應信號量，變量作業主任務在得到開啟信號量后，根據作業機具的類型啟動對應的變量控制任務，初始化相應參數；
[0029]S4、變量控制任務根據CAN解析任務接收到的農機具所在的位置，查詢處方圖得到農田在該位置的處方信息，并根據農機的行駛速度得到變量作業的控制量，實現變量作業控制；在CAN解析任務未接收到停止變量作業命令前，重復本步驟；
[0030]S5、當CAN解析任務接收到停止變量作業命令后，釋放停止變量作業信號量，掛起正在執行的變量作業控制，保存相應的控制參數，變量作業結束。
[0031]所述步驟S4包括:
[0032]S4.1、速度控制任務，將實時測得的農機行駛速度值與處方圖設定的行駛速度值進行比較，控制農機的行駛速度穩定在設定值；
[0033]S4.2、變量施肥任務，測量施肥軸轉速，控制施肥電機轉速進而控制施肥量達到目標值；
[0034]S4.3、變量播種任務，測量播種軸轉速以及種子掉落信號，控制播種電機轉速，實現株距及播種量控制；
[0035]S4.4、變量噴藥任務，根據管道壓力和流量信息，調節比例電磁閥開度控制壓力，調制電磁閥開關時間控制流量。
[0036]所述CAN解析任務用于CAN總線上各種變量作業相關信息的獲取、解析和并根據需要釋放相應的信號量；變量作業相關信息包括農機田間GPS位置、控制命令信息、農機行駛速度信息，機具類型和參數信息。
[0037]本發明具有以下優點及有益效果:
[0038]1.該通用變量作業控制器與相應的傳感器和執行機構相配合，通過CAN總線配置可用于氣吸式播種、外槽輪式施肥、噴桿式噴藥的變量作業控制，同時控制輪式農機行駛速度，為變量作業提供穩定的行駛速度；實現對多種田間作業機械的控制，實現播種、施肥、噴藥等變量作業控制，改變了原有控制器功能單一的缺點，同時能控制拖掛農機具的輪式農機行駛在穩定的設定速度，提高變量作業的精度。
[0039]2.本發明的通用變量作業控制器采用CAN通信模塊使通信接口規范，能夠與其它精準農業產品配合。
[0040]3.本發明的通用變量作業軟件設計基于嵌入式操作系統，采用多任務、事件觸發的程序設計思想，程序實時性好，擴展性強。
【附圖說明】
[0041]圖1為通用變量作業控制器整體結構示意圖；
[0042]圖2為通用變量作業控制器信號采集單元示意圖；