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基于嵌入式技术的塔机运行状态 实时监测系统的研制 摘要 塔式起重机( 简称塔机) 是工业和民用建筑施工中完成重物吊装工作的主要设备，具 有工作效率高，使用范围广，操作容易，安装拆卸简便等特点。近年来，建筑业的迅速发 展，为塔式起重机的发展创造了前所未有的发展机会，但同时也提出了挑战，塔机安全事 故随着起重机数量的猛增而频繁发生。减少塔机事故，提高塔机安全性能和作业效率迫在 眉睫。为此，本文以传感器技术、嵌入式单片机技术和测控技术为基础，研制开发基于嵌 入式技术的塔机运行状态实时监测系统，使其更安全、更有效、更平稳地作业。 本课题研究的主要任务是完成基于嵌入式技术的塔机运行状态实时监测系统的研究 和开发，软、硬件的设计。以嵌入式单片机为核心，应用嵌入式技术和c a n 现场总线技术。 论文的主要研究任务包括以下几个方面： 1 根据塔机的现状，运行状态以及工作环境，制定塔机监测系统的总体设计方案。 2 依照总体方案，设计出以3 2 位a r m 微处理器l p c 2 2 9 2 为核心的主控制器，详细说 明各个主要电路模块的实现。 3 设计了一个分布式的数据采集网络系统，采用了c a n 现场总线的数据通讯能力。 4 编写现场总线通讯程序，数据采集程序以及对各任务模块设计用户应用程序。 5 对基于嵌入式技术的塔机运行状态实时监测系统进行软硬件调试。 关键词：塔式起重机，嵌入式技术，c a n 总线，l p c 2 2 9 2 ，c 8 0 5 1 f 0 4 0 t h er e s e a r c ho fc o n d i t i o nr e a l t i m e m o n i t o i u n gs y s t e mo ft o e w rc r a n e b a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y a b s t r a c t t o w e rc r a n e sa r em a j o rh o i s t i n ga p p a r a t u so ft h ei n d u s t r i a lo rc i v i lc o n s t r u c t i o n 、 ，i t l lt r a i t s o fh i g hw o r k i n ge f f i c i e n c y , w i d er a n g eo fu s e s ，e a s ym a n i p u l a t i o na n dc o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o no r d i s m a n t l e m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea r c h i t e c t u r ei n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s ，t o w e rc r a n e s a r eo f f e r e dt h eb e s to p p o r t u n i t i e sf o rd e v e l o p i n gw h i c ht h e yh a v en e v e rm e t b u tw h e nt h e n u m b e ro ft o w e rc r a n e si nc r e a s e sr a p i d l y ，t h en u m b e ro ft h et o w e r - c r a n e sa c c i d e n t sa l s o i n c r e a s e si n l a r g eq u a n t i t y t h e r e f o r ei t i su r g e n tt h a tt h es a f e t yo ft o w e rc r a n e ss h o u l db e i m p r o v e da n dt h er a t eo ft o w e r - c r a n ea c c i d e n t ss h o u l db er e d u c e d t or e a l i z et h eg o a lt h i sp a p e r p r e s e n t sas o r to fr e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo ft o w e rc r a n e s ，w h i c hi sd e v e l o p e do nt h eb a s i s o fs e n s o rt e c h n o l o g y ，e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，m e a s u r i n ga n da u t o m a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y t h e s y s t e mc a ne n s u r et h a tc r a n e sw o r km o r es a f e l y ，m o r es m o o t h l ya n dm o r ee f f i c i e n t l y i nt h i sp a p e r , t h em a i nt a s ko ft h er e s e a r c hi st od e v e l o pt h er e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo f t o w e rc r a n e sb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dt op e r f o r mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n t h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i ti ss e l e c t e da st h ec o r eo ft h er e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e m t h i ss y s t e mu s e se m b e d d e dt e c h n o l o g ya n df i e l db u st e c h n o l o g y c a n t h er e s e a r c hw o r ko f t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d em a i n l ya sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts t a t u s ，n m n i n gs t a t u sa n dw o r k i n g e n v i r o n m e n to ft o w e rc r a n e s ， t h es u b j e c tf o r m u l a t e st h eo v e r a l ld e s i g np l a no f t h et o w e r - c r a n em o n i t o r i n gs y s t e m 2 a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a ls c h e m e ，t h em a i nc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do n3 2 - b i ta r m m i c r o p r o c e s s o r ( l p c 2 2 9 2 ) ，a n dt h er e a l i z a t i o no ft h em a i nc i r c u i tm o d u l e si sd e s c r i b e di n d e t a i l 3 t h es u b j e c td e s i g n sad i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r ks y s t e ma n du s e st h ed a t a c o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t i e so fc a nf i e l db u s 4 t oc o m p o s et h ec o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e so ff i l e db u s ，d a t ac o l l e c t i o np r o c e d u r e sa n d t h eu s e ra p p l i c a t i o np r o c e d u r e sf o rt a s km o d u l e 5 f i n a l l y , t h es u b j e c tf u l f i l l s t h ed e b u g g i n gw o r ko fh a r d w a r ea n ds o r w a r ef o rt h e t o w e r - c r a n em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：t o w e rc r a n e s ，e m b e d d e dt e c h n o l o g y , c a nb u s ，l p c 2 2 9 2 ，c 8 0 5 1f 0 4 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 名嚷氐 日期如7 年罗月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：细7 年，月“e 1 日期：一7 年岁月e l ， i 秭刍r 旋蚕 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 塔式起重机( 以下简称塔机，如图l l 所示) 是现代施工中必不可少的关键设备，是 施工企业装备水平的标志性重要装备之一。随着我国塔机产量和保有量的不断增长，各种 安全事故也日益增多，塔机使用环节普遍存在的超载和违规作业等现象是导致塔机事故的 直接原因”1 。据统计，全国每年发生塔机倾翻事故近百起，且呈上升趋势，给人民生命财 产造成巨大的损失”1 。塔机具有分布的地域广、使用的时间跨度大等特点，按传统方法对 其安全监测难度很大，各种安全措施往往落实不到位。因此借助现代的科技手段，实现全 地域、全时间段的安全监测已成必然趋势。 图i 1 塔机摹本结构”i 焉 浙江工业大学硕士学位论文 塔机安全包括技术层面和管理层面。技术层面主要是指塔机自身的一些安全保护装置， 塔机的力矩限制器、重量限制器以及超高、变幅、回转、行走限位器是塔机安全使用的最 关键的装置，其它的还包括过电流保护、欠电流保护、零位保护、风速仪、防撞红灯，防 感应装置，避雷装置等。塔机安全的管理层面包括了从塔机安装、施工运行和搬场拆卸的 整个过程，其中以安装验收和施工运行的监测最为重要。根据塔机安全规范，塔机安装验 收时必须严格根据塔机使用说明书对安全装置逐一进行调试合格，要求有具体量化验收内 容。如力矩限制器标明幅度( m ) 和吊装重量( t ) ；重量限制器标明重、中、轻档各限制 重量( t ) ；超高限位器的限位距离( m ) 等，一经验收，任何个人不得随意改动，如需要 改动时，仍必须按照验收程序进行，且还必须保证在塔机的技术性能范围之内。但在实际 的安装验收中，由于环节多、过程时间长，验收人员难以应付，因此走过场的现象较多。 在施工运行中，或是为了赶时间赶进度，或是为了吊装特殊物品等原因，施工人员擅自调 整机械式的力矩限制器、重量限制器，将限值调到塔机所能承受的最大值，有的甚至超出 最大值，埋下了事故的隐患。这种施工人员擅自调整安全装置的情况，监管人员往往难以 及时发现，因而也就不能作出处理以消除隐患【5 】【6 j 。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外塔机研究机构和生产厂家在塔机安全方面的研究主要注重于塔机自身的安全防 护上l 刀。如法国p o t a i n 、意大利a l f a 等著名塔机制造商的产品对起吊重量和起吊力矩 由限制器严格限制，各种限位有多种保护等，塔机工作的各种参数在驾驶仓的液晶屏上显 示，使操作者更全面的掌握塔机的状况，避免误操作。但将一个区域内的塔机的相关参数 汇总到监测中心进行分析处理提高安全监管这方面的研究尚未见至l j i a j 9 】f l o l 。 德国的l i e b h e r r 起重机，采用激光装置查找起吊物的重心位置，依靠超声波传感器 引导取物装置抓取货物。大车和小车运行采用编码轨系统测定路径，起升高度采用恒定张 紧的测量索和角度发生器测定。综合液晶数字显示装置和电子监测系统，不仅可以显示塔 机工作过程各种参数的数字量，还可显示各参数变化的图形，使操作者准确判断塔机的工 作状态、及时掌握塔机的工作区域限制情况例如与高压线、与周围障碍物的距离。 法国的p o t a i n 在其m d 系列塔机中，装设了微机辅助保养系统以及微机辅助驾驶系 统。能够记录5 3 种参数，对2 0 种故障与易损件磨耗程度和使用寿命直接相关的信息进行储 存处理。还可对有关电源供电条件、制动器和其他部件的技术状况相关的2 3 项信息进行处 一2 一 浙江工业大学硕士学位论文 理，如检测参数超出极限值，系统会向驾驶员发出灯光警示信号，并在荧屏上显示应及时 检修的项目或部位。 英国的起重机上安装了近场感应系统，可避免起重机之间的互相碰撞。采用无线遥控 时载荷称量也能在远控发射机上显示。起重机上还装有微机自诊断监测系统，该系统能提 供大部分常规维护检查内容，如钢丝绳状况，减速器油温油位，车轮轴承温度，起重机载 荷、应力和振动情况，制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等。 1 2 2 国内研究现状 塔机安全方面的研究工作，国内开展的较多，也出了不少安全监测的产品。 长沙浦沅电子安全信息技术开发有限公司的a c s 系列起重力矩限制器【1 1 1 。采用汉显技 术，其所有的操作均可用汉字菜单显示，使用操作性强；采用大型液晶图形点阵显示，能 直观清晰地显示出起重机工作图形及工况参数；具有独特的自诊断功能，直接用汉字提示 出故障现象和处理办法等；具有“黑匣子功能【1 2 1 ，可自动记录起重机在作业过程中危险 工况，为事故分析处理提供可靠依据。 中国航天工业总公司三十一所北京三发高科技实业总公司的l x 系列力矩限制器具有 超载、过卷等保护功能，同时具有声光报警及限制起重机向危险方向动作等功能，数字显 示，操作较简单i ”】【1 4 1 。 此外还有大连工程机械研究所的a m l u 1 型力矩限制器，采用p h i l l i p s 公司的高性能 八位单片机8 0 c 5 2 作为主机，该单片机与i n t e l 公司的m c s - - 5 1 系列单片机完全兼容，但 功能更强，带有八路十位a d 转换器，w d t 监视定时器，并具有六个八位i 0 e i ；采用通用 可编程单片机外围接v i p s d 3 1 l ，提高了系统集成度；设置了自检程序帮助操作员及时发现 故障；对存储器、各检测信号通道、显示器及报警指示灯等开机自检【1 5 1 1 1 6 1 。 1 3 本课题的研究目的及意义 近年来，随着各类高层建筑和大型建设工程的出现，塔式起重机的发展趋势必然是起 升高度和起重力矩越来越大，这就对塔机的安全性能提出了更高的要求。 本课题是要实时采集起吊重量、力矩、回转角、吊壁位移、限位等运行数据，在此基 础上实时判别是否超限，作出报警或停机等处理。采集到的数据一方面通过液晶屏在驾驶 仓操作台上实时显示，另一方面通过无线通讯模块传送到监测中心。 该课题研究的意义主要包括： 一3 一 浙江工业大学硕士学位论文 1 提高塔机作业的安全可靠性。 2 提高塔机的作业效率，减轻工人的劳动强度，同时减少误操作。监测系统实时地检测、 显示塔机作业的关键参数起重量、幅度和起重力矩等，根据显示内容，操作人员可以 轻松自如地作出准确的判断，安全、有效、平稳地控制塔机运行。 3 监测系统具有数据记录功能，一旦塔机接近或进入危险区，系统自动记录各项工作参 数值、危险作业次数。若万一发生事故，可以为以后的事故分析提供具体的资料。 1 4 本课题的研究内容 基于嵌入式技术的塔机运行状态实时监测系统的研制是基于无线通讯的塔机安全监 测系统( 整体结构如图1 2 所示) 的组成部分之一。整个基于无线通讯的塔机安全监测系 统具有三个部分，其它两个部分分别为无线数据通信网络和塔机安全评估管理系统。 短 图1 2 基于无线通讯的塔机安全监测系统 本课题的研究内容主要包括： 1 确定整个系统的结构，并在分析塔机运动情况的基础上，确定基于a r m 微处理器的 塔机安全监测系统的总体设计方案； 2 依照总体方案，首先设计出以a r m 微处理器为核心的主控制器，具体包括硬件平台 的搭建、存储器模块的扩展、通用接口和人机交互接口等模块的硬件设计，最后介绍 对塔机安全系统各参数的数据采集处理； 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 3 对基于a r m 嵌入式的塔机安全监测系统进行软硬件调试，并完成部分试验。 1 5 本章小结 本章主要阐述了塔式起重机使用方面存在的安全问题，简要介绍了国内外在塔机安全 系统研究情况，并指出了本课题研究的意义和研究内容。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章塔机监测系统总体设计方案 2 1引言 监测系统的智能化归功于计算机技术和传感器技术的发展，微电子技术，特别是微计 算机技术的迅猛发展以及人们对智能理论的深入研究，使得监测系统在测试过程的自动 化、测量结果的智能化处理和系统功能仿入化等方面都有了巨大的进展。智能监测系统充 分开发利用计算机资源，在人工最少参与的条件下尽量以软件实现系统功能，智能监测系 统具有以下优点： 1 监测由软件测制，自动化程度大大提高。 2 智能化数据处理可以很方便的完成各种信息处理功能。 3 可以实现多参数监测与信息融合，从而提高系统准确性、可靠性和容错性。 4 高度的稳定性、灵活性和可重用性。 2 2 塔机的介绍 塔机全称为塔式回转起重机，属于一种非连续性搬运机械，是一种起重臂装设于高处 的全回转起重机械。塔机优点是能将构件或材料准确运到建筑楼层的任意部位，在吊运方 式和速度方面胜过任何其他起重机械。因此，塔机对减轻劳动强度，节省人力，降低建设 成本，提高施工质量，实现工程施工机械化起着重要作用。 塔机结构特点是有一直立的塔身，起重臂和平衡臂铰接在垂直塔身的上部。塔机具有 重心高，起重量大，运行速度快的特点，在工作过程中，由于频繁启制动，又有比较大的 动载荷存在，是一类蕴藏危险因素较多的机械。 2 2 1 塔机的结构及安全保护装置【 1 【1 8 1 【1 9 l 为使塔机能进行正常作业，必须有一个工作机构以实现塔机不同运动的要求。塔机一 般设有起升机构、变幅机构、回转机构和行走机构。起升机构实现重物的垂直上下运动； 变幅机构和回转机构实现重物在两个水平方向的移动；行走机构实现重物在塔机所能及的 范围内任意空间运动和使塔机转移工作场所。 浙江工业大学硕士学位论文 起升机构是由原动机、卷筒、钢丝绳、滚轮组和吊钩组成口原动机的旋转运动，通过 卷筒一一钢丝绳一一滚轮组机构变为吊钩的垂直上下直线运动。为防止起升卷筒过卷而拉 断钢丝绳，塔机设有起升高度限位器。高度限位器和卷筒轴相联，通过计算吊钩最大高度 和最小高度时卷筒卷绕的圈数，调整高度限位器凸轮机构。当卷筒缠绕钢丝绳的圈数到达 一定数值时，凸轮机构触动开关，使吊钩位于极限位置时起升机构停止运行。 塔机变幅机构是改变吊钩中心与塔机回转中心轴线之间的距离。它由电动机、蜗轮蜗 杆减速机、变幅小车、钢丝绳、卷筒、导向轮和张紧轮等元件组成。其工作原理与起升机 构基本相似，所不同的是钢丝绳两端分别通过臂架根滑轮和臂架前滑轮连接到小车。变幅 时，一端收缩钢丝绳，拉动小车，另一端放出钢丝绳。变幅机构设了行程限位器。工作原 理是：小车变幅时，卷筒旋转，通过齿轮传递，带动凸轮转动。当小车运行到一定位置时， 凸轮也转过一定的角度，如果小车运动到最大行程时，此刻凸轮转到某角度，触动开关， 使变幅机构停止运行。 回转机构主要包括电动机、液力耦合器、行星齿轮减速机和回转齿圈等元件。回转机 构设有回转限位器，它通过一小齿轮和齿圈啮合，调整限位器凸轮角度，使塔身正向回转 一圈半( + 5 4 0 0 ) 和反向回转一圈半( - 5 4 0 0 ) 时开关动作，切断回转电机电源，防止电缆 过度受扭。 为保证塔机的安全运行，起升机构和变幅机构同时还设有起升速度限制器和变幅速度 限制器。他们的工作原理相似：机构选用两速或三速电机，通过接触器的不同接线方法， 实现高、中、低速度的选择。机构工作时，卷筒轴转动，通过齿轮传递，带动凸轮机构旋 转，当机构运行到一定位置时，凸轮触动开关，进而控制接触器的通电或断开，实现了速 度限制。 为避免塔机超载作业引起倒机事件，塔机还设有两个重要的安全保护装置：起重量限 制器和起重力矩限制器。 起重量限制器是控制塔机的超载极限载荷。其工作原理是：在塔顶安装一弓形板，一 端与塔顶铰接，另一端铰接一个滑轮，起升钢丝绳穿过滑轮。当起升重物时，钢丝绳受拉， 拉力通过滑轮作用于弓形板，弓形板受拉变形。当起重量过大时，相应弓形板产生足够大 的变形量，从而触动开关，完成报警、断电或低速下降等紧急处理。 起重力矩是确定和衡量塔机起重能力的主要参数。当塔机作业时，力矩限制器能根据 塔机的特性曲线把起重力矩限在规定的范围内，使塔机不会倾覆，吊臂不会折断，机械部 件不会损坏。其工原理是：在悬杆上焊接一块弓形板，起吊重物，当钢丝绳受拉，拉力作 浙江工业大学硕士学位论文 用于悬杆，产生力矩，使弓形板受力变形。当起重力矩达到极限载荷时，弓形板的变形量 足够大，触动开关，完成超载的紧急处理。 2 2 2 现有保护装置存在的问题 上述位移限制器，速度限制器，起重量限制器及起重力矩限制器等都属机械结构式保 护装置，存在着以下缺点：( 1 ) 保护装置仅在到达极限状态时才突然产生作用，而在接 近极限状态时却仍处于空闲状态。( 2 ) 安全保护装置无法完成塔机工作过程中有关参数 的显示。( 3 ) 保护装置无自检功能，一旦损坏不能被及时发现，存在安全隐患问题。然 而，在现代建筑施工现场，为降低成本，加快施工进度，经常要求塔机处于饱和工作状态， 以充分使用塔机的作业能力。但司机不能及时了解塔机工作状况。无法判断当前塔机是否 已接近极限状态。而一旦到达极限状态，安全保护装置起作用，塔机就断电停机，这样就 大大降低了塔机的工作效率。甚至万一保护装置损坏而又没能得到及时的维修，则会造成 机毁人亡的重大事故。 针对上述存在的问题，在分析塔机结构、工况和安全性能要求的基础上开发研制塔机 监测系统。需要以塔机的起重量，起重力矩和工作幅度几个关键工作参数为代表进行研究， 使塔机工作状况得到全面的监测。 2 3 监测系统方案比较和选择 在塔机的监测系统中，根据监测任务的不同，可以选择不同的微型机，目前的塔机的 监测系统1 2 0 1 1 2 1 1 【2 2 1 有以下几种： 1 采用个人计算机构成系统 将a d 板卡等插入到个人计算机扩展槽的方法构成监测系统，适合于大、中、小规模 的监测系统。目前，p c 机发展非常迅速，高性能的p c 机广泛应用于各领域，但个人计算机 组成的监测系统由于体积较大、对环境要求较高，不适合塔机作业的现场监测。 2 采用单板机构成监测系统 用户只需在单板机的扩展布线区扩展存储器、数据采集电路及相应的i 0 口电路等，单 板机即可具备监测功能。它具有系统成本低等显著优点。但是，单板机的内存容量可扩充 性较小，仅适合于小型监测系统。 3 采用标准模块构成监测系统 为了适应计算机应用的通用性和灵活性，各计算机制造商按照统一标准总线生产各种 一8 一 浙江工业大学硕士学位论文 各样的功能板。例如，c p u 、a d 转换板、开关最输入、输出板、并行、串行通信板等。 设计人员可按照需要选用相应的功能模板构成相应的监测系统。该系统具有构成灵活、配 置合理，可靠性高，调试、开发容易，开发周期短及扩充方便等优点，但组成系统的成本 日直 c 口贝o 4 采用单片机构成的监测系统 用单片机、r o m 、r a m 和各种接口器件，设计监测系统的方法称为芯片级设计法。 其优点是根据实际应用的需要设计系统，针对性强，成本低。缺点是设计工作最大，对设 计者的知识、能力等方面要求较高。 本课题则采用a r m 嵌入式微处理器构成的监测系统，它对实时和多任务有很强的支 持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的 执行时间减少到最低限度；具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件 结构已模块化，而为了避免在软件模块之问出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区 保护功能，同时也有利于软件诊断；可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的 高性能的嵌入式微处理器；嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及 移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为m w 甚至l x w 级 【2 3 l o 目前，一般塔机监测系统原理图都是如图2 1 所示。 图2 1 一般的塔机监测系统原理图 这种塔机安全监测系统中的测量控制系统采用的是传统的测量控制系统，从输入设备 到控制器，从控制器到输出设备，均采用设备间一对一的连线，即点到点布线，通过电压、 电流等模拟信号传送参数值。由于模拟信号的传递是一对一的物理连接，信号变化缓慢， 一9 一 浙江工业大学硕士学位论文 提高计算速度与精度的开销、难度都很大，信号传输的抗干扰能力也较差。传感器是测控 系统中重要部分，由于各类传感器的工作原理不同，其最终输出的电量形式也各不相同， 为了便于系统连接，通常要将传感器的输出转换成标准电压或电流信号。即便是这样，在 与计算机相连时，还必须增加a d 转换环节。如果传感器能以数字量形式输出，则可方便 得与计算机直接相连，从而简化了系统结构，提高了精度【2 4 1 。由此，本文将采用基于现场 总线的数据通讯系统。 现场总线系统采用串行数据通信方式实现众多节点的数据通信，不必在每对通信节点 间建立直达线路，而是采用网络的连接形式构建数据通道。串行数据通信最大的优点是经 济。两根导线上挂接多个传感器、执行器，具有安装简单、通信方便的优点。这两根实现 串行数据通信的导线就称之为总线。采用总线式串行通信为提供更为丰富的控制信息内容 创造了条件【2 5 l 【2 靴1 17 】。 现场总线是以测量控制设备作为网络节点，以双绞线等传输介质为纽带，把位于生产 现场、具备了数字计算和数字通讯能力的测量控制设备连接成网络系统，按公开、规范的 通信协议，在多个测量控制设备之间、以及现场设备与远程监测计算机之间，实现数据传 输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。现场总线系统结构如图2 2 所示。 图2 2 现场总线系统结构 浙江工业大学硕士学位论文 现场总线系统既是一个开放的数据通信系统、网络系统，又是一个可以由现场设备实 现完整控制功能的全分布控制系统。它作为现场设备之间的信息沟通交换的联系纽带，把 挂接在总线上、作为网络节点的设备连接为实现各种测量控制功能的自动化系统，实现如 p i d 控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监测、优化及控管一体化的综合自动化功 能。这是一项以数字通信、计算机网络、自动控制为主要内容的综合技术。 现场总线系统的现场设备在不同程度上都具有数字计算和数字通信能力。这一方面提 高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容、实现其远程传送创造了 条件。借助现场设备的计算、通信能力，在现场就可进行多种复杂的控制计算，形成真正 分散在现场的完整的控制系统，提高了控制系统运行的可靠性。还可借助现场总线控制网 络以及与之有通信连接的其他网络，实现异地远程自动控制。 基于现场总线的数据通讯系统由数据的发送设备、接收设备、作为传输介质的现场总 线、传输报文、通信协议等几部分组成。图2 3 为基于现场总线的数据通讯系统的一个简 单示例。 图2 3 基于现场总线的数据通讯系统示例 国际上已知的现场总线类型有四十余种，比较典型的现场总线有：f f ，p r o f i b u s ， l o n w o r k s ，c a n ，h a r t ，c c l i n k 等。 1 基金会现场总线f f 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 是由现场总线基金会组织开发的。现场总 线基金会于1 9 9 4 年由美国f i s h e r - r o s e m o u n t 和h o n e y w e l l 为首成立的。f f 以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次， 并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分h 1 和h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率 一11 浙江工业大学硕士学位论文 为3 1 2 5 k b p s ，通讯距离可达1 9 0 0 m ，可支持总线供电和本质安全防爆环境。h 2 的传输速 率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通讯距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持 双绞线、光缆和无线发射，协议符号i e c l l 5 8 2 标准。f f 物理媒介的传输信号采用曼册斯 特编码。现场总线基金会于1 9 9 8 年又组织开发了通信速率为1 0 1 0 0m b p s 的高速网段h s e ， 以取代h 2 。 f f 适合在流程工业的生产现场工作，能适应本质安全防爆的要求，还可通过通信总线 为现场设备提供工作电源。 2 p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国标准( d i n l 9 2 4 5 ) 和欧洲标准( e n 5 0 1 7 0 ) 的现场总线标准。由 p i 的f i b u s d p 、p i 的f i b u s f m s 、p i 的f i b u s p a 组成。d p 用于分散外设间高速数 据传输，适用于加工自动化领域。f m s 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开 关等。p a 用于过程自动化的总线类型，服从i e c l l 5 8 2 标准。它采用了o s i 模型的物理 层、数据链路层。f m s 还采用了应用层。传输速率为9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离在 1 2 m b p s 时为1 0 0 m ，1 5m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至1 0 k m 。其传输介质可以是 双绞线，也可以是光缆。最多可挂接1 2 7 个站点。可实现总线供电和本质安全防爆。 p r o f i b u s 己被广泛应用于制造业自动化、过程自动化、楼宇自动化、交通管理自动 化、电子工业和电力输送等行业。 3 l o n w o r k s l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出，它采用i s o o s i 模型的全部7 层通讯协议， 采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。其通信速率从 为3 0 0 b p s 到1 5 m b p s 不等，直接通讯距离可达2 7 0 0 m ；支持双绞线、同轴电缆、光缆和红 外线等多种通信介质，并开发了本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。 采用l o n w o r k s 技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、 保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。 4 h a r t h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 最早由r o s e m o u n t 公司开发。其特 点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产 品。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。h a r t 能利用总线供 电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双 主设备系统。 浙江工业大学硕士学位论文 5 c a n c a n 是控制局域网络( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 的简称，由德国b o s c h 公司推出， 它广泛用于离散控制领域。c a n 的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功 能，具有较强的抗干扰能力。尽管c a n 最初是为汽车电子系统设计的，但由于它在技术 与性价比方面的独特优势，在航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸、仓储等领域得到广 泛应用。在火车、轮船、机器人、楼宇自控、医疗器械、数控机床、智能传感器、过程自 动化仪表等自控设备和现场总线系统中，都有c a n 技术的身影。c a n 已成为工业数据通 信的主流技术之一，特别是在大型仪器设备、传感器及数据采集系统、工业控制中。 经过对以上几种现场总线的分析，再结合塔机非常的特殊的工作环境，长期是在环境 恶劣的室外环境中工作【2 8 】【2 9 1 1 3 0 1 ，加上传感器模拟信号一对一长距离传输通道会受到瞬时干 扰和电磁辐射干扰【3 1 1 ，会影响塔机参数的采集的精度，增大误差，进而影响塔机安全系统 的有效度。因此，本文将选用现场总线中的c a n 总线进行数据通讯。c a n 总线具体介绍 在第4 章中。 2 4 监测系统总体方案设计 2 4 1塔机监测系统的功能要求 1 实时检测功能：要求系统对塔机运行的各种参数起重量、幅度、起重力矩、提升高度、 提升速度、变幅速度、回转速度等进行实时的测量。 2 实时显示功能：将系统测得的塔机运行工作参数值及时地显示给用户。为此，采用l c d 显示器以数值方式随时显示塔机各运行参数值。 3 参数设定功能由于不同的塔机，其本身的固定参数各不相同，为了使本系统具有较强 的通用性，可通过设置按键来实现参数的修改设置。 4 具有报警和自动断电停机功能：系统识别塔机的运行状态后，作出相应的处理。当塔 机运行时的状态参数值达到一定值时，系统开始报警；如果超过其额定值的一定数值， 系统自动断电停机。 5 数据存储功能：记录危险工况各项参数、作业时间及危险作业次数。断电情况下数据 不丢失，且能长时间保存，作为塔机本身的历史资料，为以后的维修提供方便。 6 无线数据通讯功能：系统将采集到的数据传送到监测中心，塔机安全评估管理系统当 前的各状态参数值进行分析，当塔机出现故障时，可为分析事故提供数据资料。 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 2 监测系统的设计开发步骤 塔机状态监测系统是一典型微机应用系统，它的开发设计过程主要包括四个部分：系 统硬件设计、系统软件设计、系统仿真调试和脱机运行调试。图2 - 4 是本监测系统开发设 计步骤示意图。 图2 1 4 监测系统设计步骤图 2 4 3 塔机运行监测系统的方案 监测系统方案选择的好坏直接关系到整个监测系统设计开发的成败。为使塔机运行监 测系统能在实际工程中得以广泛的应用，根据塔机作业现场的实际情况和用户的要求，确 定监测系统的总体方案。 在前一节监测系统方案比较与选择中，基本上给出了本文中监测系统要采用的方案， 本文中的塔机安全监测系统原理图如图2 5 所示。上位机采用嵌入式微处理器a r m ，数据 采集模块采用基于c a n 总线的分布式数据采集系统【3 2 j 【3 3 1 1 3 4 1 1 3 5 1 。其中智能执行器是进行传 感器模拟信号的调理，a d 转换，及数据采集和发送。 一1 4 一 浙江工业大学硕士学位论文 图2 5 塔机安全监测系统原理框图 嘣线 该系统的工作原理：实时采集起吊重量、力矩、回转角、吊壁位移、限位等运行数据， 在此基础上实时判别是否超限，作出报警或停机等处理。采集到的数据一方面通过液晶屏 在驾驶仓操作台上实时显示，另一方面通过无线通讯模块传送到监测中心。主要可以分为 以下几个模块：实时信号处理和数据采集处理模块；c a n 通讯模块；违规吊装紧急停机处 理：人机交互模块；数据存储和无线数据通讯模块；嵌入式软件开发。 2 。5 本章小结 本章主要介绍了塔机的结构及安全装置，在分析现有的塔机安全监测系统优缺点和 功能要求的基础上给出本文的塔机监测安全系统的总体设计方案。 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章基于嵌入式技术的塔机监测系统的硬件设计 3 1引言 结合本文第2 章提出的基于嵌入式技术的塔机安全监测系统的总体设计方案，本课题 的主要任务之一是设计出3 2 位a r m 微控制器为核心的硬件电路。整个电路系统的设计采 用p r o t e ld x p 作为设计平台。 3 2 嵌入式技术 3 2 1嵌入式系统的概念【3 6 】【3 7 】【3 8 1 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式 微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，如图3 1 所示，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 图3 - 1嵌入式系统的架构 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理器、 浙江工业大学硕士学位论文 存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求 实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序 控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 3 2 2 嵌入式处理器1 3 9 1 1 4 0 1 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。 据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 种，流行的体系 结构有3 0 多个系列。其中8 0 5 1 体系占多半，生产这种单片机的半导体厂家有2 0 多个， 共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式 处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处理速度为0 1 2 0 0 0 m i p s ，常用封装8 2 9 2 个引脚。 根据现状，嵌入式计算机可分成下面几类。 1 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配在专门设 计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功 耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本 是一样的，但在工作温度和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、 成本低、可靠性高的优点，嵌入式处理器目前主要有p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列 等。 2 嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，e m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，从2 0 世纪7 0 年代就出现到今天。嵌入式微控制器一般 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、定时计数器、 看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功 能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生 产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机 最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。微控制器的片上外 设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数 量最多，比较有代表性的通用系列包括5 1 、a v r 、p i c 、m c 6 8 k 等。目前m c u 约占嵌入 式系统市场份额的7 0 。 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 浙江工业大学硕士学位论文 d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率 较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌 入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式 d s p 处理器。推动嵌入式d s p 处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例