基于控制器局域網(wǎng)和數(shù)字信號處理器設(shè)計起重機多功能安全監(jiān)控系統(tǒng)

起重機是工程建設(shè)中的必要設(shè)備之一，在施工中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。然而，起重機潛在的危險因素也較多，容易發(fā)生惡性事故。國家技術(shù)監(jiān)督局先后專門制定和發(fā)布了《起重機設(shè)計規(guī)范》（GB3811-83）、《起重機械超載保護裝置安全技術(shù)規(guī)范》（GB12602-90）、《起重機安全規(guī)程》（GB6067-85）等標(biāo)準(zhǔn)，要求各類起重機械必須裝備安全保護裝置。因此開發(fā)新型的起重機多功能安全監(jiān)控和保護系統(tǒng)是很有必要的?；诖耍陙韲鴥?nèi)外先后研制出一些起重機安全保護裝置，如載荷限制器、力矩限制器、起升高度儀、防碰撞裝置、風(fēng)速報警器等。但它們功能單一，如果需要多種保護功能，必須安裝多臺儀器，這樣不僅價格昂貴，也給維護和使用帶來了不便。起重機用戶迫切需要一種集多種功能于一體的多功能安全監(jiān)控系統(tǒng)，并希望起重機具有較強的自動控制功能主自診斷能力，以降低操作和維護的勞動強度并保證起重機的安全。

起重機用戶關(guān)心的涉及到安全方面的工況參數(shù)主要有：主鉤與副鉤的起重載荷和起升高度、主臂與副臂（塔臂）的起重力矩和起升角度、工作幅度、鋼絲繩狀況、風(fēng)速（力）大小、起重過程中載荷振動情況以及下陣的各種信息（如變幅油缸壓力、液壓傳動系統(tǒng)的壓力、溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速參數(shù)、油溫）等。如何對這些工況參數(shù)進行巡回采集、算法處理，并實時輸出控制和提示是本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在。

近年來，現(xiàn)場總線技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展和漸趨成熟以及各種新型大規(guī)模集成器件的出現(xiàn)，為本系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

現(xiàn)場總線（Field Bus）標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)是國際自動控制領(lǐng)域關(guān)注的熱點，對于工業(yè)控制領(lǐng)域，采用現(xiàn)場總線的最大優(yōu)點是可大量節(jié)約連接導(dǎo)線。維護費用和安裝費用，同時，現(xiàn)場總線能夠傳送多個過程變量?？刂破骶钟蚓W(wǎng)（Controller Area Network）屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制（Distributed Controller）或?qū)崟r控制（Real-time Controller）的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是德國Bosch公司于1980年初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是一種通信速率可達1Mbps的多主總線（MulTIple Master MulTIple Slave，即M3S）。

CAN總線通信接口集成了CAN協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可對通信數(shù)據(jù)完成成幀處理。它通過對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點個數(shù)的動態(tài)性，并使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，保證了通信的實時性;而協(xié)議利用CRC檢驗提供相應(yīng)的錯誤處理功能，則保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。本系統(tǒng)利用CAN總線的以上特性，解決了眾多模塊（節(jié)點）之間的通信問題。

數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)使數(shù)字信號處理領(lǐng)域發(fā)了了革命性的變化。它采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和程序總線分離，可同時進行指令的讀取和數(shù)據(jù)運算，指令基本上可以在一個機器周期內(nèi)執(zhí)行，片裝乘法器硬件，具有將乘法器和累加器以流水線方式連接的總線，能高速進行連續(xù)的乘法運算和累加運算。因而其運算能力極強，適合于大量高速信號的處理領(lǐng)域，自從問世以來，在短短不到20年的時間內(nèi)，便迅猛發(fā)展，得到了極為廣泛的應(yīng)用。以Texas Instruments公司的TMS系列為例，到目前已發(fā)展到第五代。

1、 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡圖

本系統(tǒng)基本組成如圖1所示。系統(tǒng)由一個主節(jié)點（中央處理單元）、一個智能節(jié)點和8個最小系統(tǒng)節(jié)點組成。最小系統(tǒng)節(jié)點包括拉力傳感器節(jié)點1（副鉤）、角度傳感器節(jié)點2（副臂）、拉力傳感器節(jié)點3（主鉤）、角度傳感器節(jié)點4（主臂）、風(fēng)力傳感器節(jié)點5、防碰撞傳感器節(jié)點6、高度傳感器節(jié)點7（主鉤）、高度傳感器節(jié)點8（副鉤）等，各節(jié)點分別負責(zé)采集不同的牧師信號，并進行A/D轉(zhuǎn)換（個別節(jié)點則不用進行A/D轉(zhuǎn)換，如高度節(jié)點的增量式光電編碼盤可直接得到數(shù)字信號），然后通過現(xiàn)場總線與主節(jié)點通信。各模塊之間的最大總線長度不超過130米，位速率定為500kbps，總線定時為：BTR0，01H;BTR1，1CH。

1.1 主節(jié)點（中央處理單元）

系統(tǒng)主節(jié)點結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

中央處理器采用美國模擬器件公司生產(chǎn)的ADSP2105。它是一種高性能價格比、性能成熟的DSP器件，在一個100ns周期內(nèi)，可以完成如下操作：取兩個操作數(shù)，修改指向操作數(shù)的地址單元，使兩個操作數(shù)相乘并將結(jié)果累加到一個40位的和中。由于程序循環(huán)在硬件內(nèi)完成，所以每100ns能執(zhí)行一次這些高級指令的操作。WSI的PSD311可編程外圍器件有效地將可編程邏輯、I/O端口和存儲器集成在一塊芯片上，可以實現(xiàn)本系統(tǒng)的外圍功能。ADSP2105在與PSD311等外圍器件聯(lián)絡(luò)方面提供了很大的時序靈活性。它可以為4個分開的存儲器空間中的每一個單獨分配等待狀態(tài)數(shù)量，以適應(yīng)很寬的時序差別。我們在ADSP2105的“等待寄存器”為EPROM、RAM和外部存儲器的選通脈沖安排1個等待狀態(tài)，即200ns周期時間，以滿足PSD311 120ns器件的時序要求。由于總線的通路布在ADSP2105的里面，PSD311的數(shù)據(jù)線與D15～D8連接。ADSP2105的“D22”線提供PSD311的“A14”地址線，/BMS（Boot Memory Select）充當(dāng)EPROM的片選并與PSD311的“A19”輸入相連接。

選用SJA1000作為CAN控制器，驅(qū)動器使用CAN控制器接口芯片PCA82C250。EEPROM用作數(shù)據(jù)RAM，用于保存設(shè)置輸入的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以防掉電時丟失。

1.2 智能節(jié)點

智能系統(tǒng)節(jié)點原理示意圖如圖3所示。Philips公司的80C592芯片是8位高性能微控制器，是現(xiàn)有80C522和CAN控制器PCA82C200的功能組合，并具有8路模擬量輸入通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器和兩級優(yōu)先權(quán)的15個中斷源。PSD311用作其外圍ROM、RAM和譯碼芯片。80C52利用自帶的ADC將下車傳感器采集的各種模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（只對模擬信號），經(jīng)CAN部件送至系統(tǒng)主節(jié)點;并接收主節(jié)點 來的輸出信號，控制下車的各種繼電器和各種電磁閥。

1.3 最小系統(tǒng)節(jié)點

最小系統(tǒng)節(jié)點使用了ISO/DIS11898標(biāo)準(zhǔn)連接方法，如圖4所示。P82C150是帶位速率自動檢測和校正的包括CAN協(xié)議控制器的單片16位I/O器件。它的16條I/O口線的方向、數(shù)字與模擬方式均可編程選擇。自帶的包含6路模擬輸入通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器具有0.1%的精度，完全可以滿足系統(tǒng)的精度要求。

2 、系統(tǒng)功能和特性

系統(tǒng)能夠?qū)崟r對各路傳感器信號進行巡回采樣，經(jīng)過計算得出相應(yīng)工況下的起重機實際工況參數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)工作參數(shù)比較，當(dāng)達到極限值的90%的預(yù)報警，超過100%時報警，并強制停止控制。這時起重機不能繼續(xù)向危險方向動作，如趴桿、伸臂、起升等。系統(tǒng)還提供了友好的人機界面，用戶可以方便地完成特定的工作參數(shù)設(shè)置及調(diào)試、標(biāo)定等輔助功能，根據(jù)顯示屏幕和語音提示實時了解相關(guān)的工況參數(shù)，以便及時作出相應(yīng)的操作。

系統(tǒng)最大的特性是可以根據(jù)起得機的具體情況動態(tài)地增刪節(jié)點（CAN監(jiān)控模塊）。高性能的DSP和外圍器件PSD保證了系統(tǒng)的柔性、強壯性和可擴展性。

一體化起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)是未來起重機安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，它將逐步取代單一功能的安全保護裝置，如載荷限制器、力矩限制器、起升高度儀、防碰撞裝置、風(fēng)速報警器等而成為市場主流產(chǎn)品。