（机械工程专业论文）塔式起重机安全保护器的研究.pdf

摘要 塔式起重机是一种蕴含多种危险因素的大型设备，操作不当或超载，容易引起折臂等无法挽回 的后果，因此对1 6 吨以上的起重机要求安装安全保护设备，本文设计了一种基于现场可编程门阵 列( f p g a ) 的塔机安全保护装置的方案，以降低操作危险。 系统的核心控制部分基于f p g a 的软硬件协同设计，使控制可靠性和速度有大幅度的提高。塔 式起重机起吊高度和力臂信号检测电路，用以采集高度和力臂信号。采用光电脉冲编码器把长度可 直接转换为数字量，节省了a d 转换电路。采用拉压式称重传感器测量起重重量，经a d 转换通 过控制系统可计算出力矩，以实现力矩的限制。 由于f p g a 的可重构性，系统硬件结构及功能可实现在线升级，系统具有良好的可维护性。运 用a s i c 设计理念，借助于硬件描述语言( v h d l ) 及通用i p 核来对系统进行硬件级控制电路设计。 关键字：塔式起重机，f p g a v h d l a b s t r a c t t o w e rc r a n ei sak i n do fl a r g ee q u i p m e n tf o ro u t d o o r s ，i te a s i l yh a sm a n yk i n d so fd a n g e r s u n r e a s o n a b l eo p e r a t i o na n do v e r l o a dc a nm a k ec r a n et u r no v e ro rb r e a k , a n di tw i l ln o tg ob a c kt of o r m e r s t a t e s ot h et o w e rc r a n eo v e r1 6 ts h a l lb ei n s t a l l e ds a f e t yd e v i c e i nt h i sa r t i c l eas c h e m eo fs a f e k e e p i n g o fs e c u r i t yd e v i c ef o rt o w e rc r a n eb a s e do nf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) w a sd e s i g n e dt o r e d u c i n go p e r a t i o nd a n g e r s t h ec o r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do ff p g aa n dt h ed e s i g nm e t h o do fd e s i g n i n gs o f t w a r e w i t hh a r d w a r e ，i tc a l lg r e a t l yi m p r o v et h ec o n t r o ls p e e da n dc o n t r o lr e l i a b i l i t y i nt h es c h e m ew ed e s i g n e d s i g n a lm e a s u r i n gc i r c u i tf o rm e a s u r i n gh e i g h ta n da n no ff o r c eo ft o w e rc r a n e l e n 班hs i g n a lw a s t r a n s f o r m e dd i g i t a ls i g n a lb yp h o t o e l e c t r i cp u l s ee n c o d e rw i t h o u ta dc o n v e r t e r s w e i g h tc a nb e m e a s u r e db yw e i g h i n gc e l l ，m o m e n to ff o r c ec a nb ec a l c u l a t e db yc o n t r o ls y s t e ma f t e ra dc o n v e r t e d , t h a nm o m e n to f f o r c el i m i tc a nb ea c h i e v e d i nc o n d i t i o no ff p g a sd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n ，t h es y s t e mc a na c h i e v eg o o dc o n v e n i e n c ef o r m a i n t e n a n c e u s i n ga s i cd e s i g nt h e o r y , a d o p t i n gv h d l h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n dh i g h - r e l i a b l e u n i v e r s a li n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ( i p ) c o r e ，w ed e s i g n e dt h ec o n t r o ls y s t e mi nh a r d w a r e k e yw o r d s ：t o w e rc r a n e ，f p g a ，v h d l 独创性声明 本人声明所提交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 老釉屿 时间：1 - 护7 年6 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、 缩印或扫描的复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不 同方式在媒体上发表、传播学位论文和全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：墓叙娴争时间：2 加) 年移月j 口 导师签名：嘲时间：夕年占月4 口 中国农业大学硕士学位论文绪论 i 1 研究的目的和意义 第一章绪论 塔式起重机具有较高的起吊高度、较大的工作幅度和工作空间，在建筑工程中应用广泛。但 在塔机的使用过程中，由于操作者对被吊物的重量估计不足、被吊物件部分埋置地下、起吊过程 中被吊物件与其他物件挂碰等原因，常造成塔机超负荷作业，严重时发生起重臂折断、塔机折撰、 起重绳被拉断，甚至整个塔机倾翻等事故，造成巨大的财产损失和人员伤亡。由调查2 】可知， 事故原因： l 、安全装置没有或无效 2 、违章操作或误操作 3 、拆装过程事故 4 、管理不当 5 ，环境因素造成事故 6 、设备保养与维护不良 7 、电气事故 表l l 是事故原因所占比例，就主要原因来说，超载、安全保护装置失效、违章操作造成事故较多。 表1 _ 1 塔机事故原因分类 塔机事故原因 所占百分比 超载 5 5 违章操作 1 2 轨道铺设质量不符合要求9 设计及制造质量低劣8 安装事故 4 风灾4 其他 8 为保证塔机安全作业，建筑行业安全管理部门和广大塔机用户迫切需要结构合理、性能可靠 的塔机安全保护装置。 奉论文研究题目足根据我同应f h 广泛的塔式起重机作业中存住的安全l u j 题i 酊提出的，旨在研 究结构合理、性能可靠、调试方便和实用性好的安全保护装置，有效防止塔机发生倾翻、断腰、 折臂、冒顶等事故，可靠地保障塔机安全作业，以满足实际生产的迫切需要，并能保护操作施工 人员的生命安全，防止造成较人的经济损失。 1 2 国内外研究现状 我罔自r 纪5 0 年代丌始牛产塔a ，世重机以来，曾研制了一些安全保护装置，但因种种原 中国农业大学硕士学位论文绪论 因性能均不理想，没有得到推广应用。进入9 0 年代以来，国内的一些生产厂家( 如浙江金山开 关厂) 还引进了国外技术，但生产的塔机安全保护装置的力矩均采用机械装置求得，如弓板式力 矩限制器、拉力环式起重量限制器、多功能力矩限制器等采用限位开关进行过载保护，存在运行 误差大、结构复杂、适应性差、安装调试复杂等缺点 3 】。当前也有研究用单片机设计智能塔式起 重机力矩限制器，但没有具体产品。虽然我国建筑行业管理部门明文规定塔式起重机使用中必须 配备安全保护器1 4 1 ，但因现有产品存在以上缺点，极大地限制了在生产中的应用，一些塔机用户 即使配备了安全保护器，也没有真正投入使用，只是为了应付主管部门的检查。因此塔机的安全 没有得到保障，以致于塔机倾翻，断腰、折臂等事故屡屡发生。 进口的塔式起重机及安全保护器可靠性好，但价格昂贵，国内单位一般很少购置。如法国波 坦公司的m d l7 5g 1 0 型塔式起重机”1 的安全保护装置，采用传感器、a d 转换器和l e d 显示器， 可实时监控小车位置、起重载荷、力矩等参数，从而可由操作人员进行手动控制，增加安全性。 塔式起重机安全装置包括力矩限制、起重量限制、幅度限位、回转限位和高度限位等装置。 下面仅对力矩和起重量限制装置进行分析。 1 起重力矩及起重量指标对安全装置的要求 ( 1 ) 当起重力矩超过其额定值并小于额定值的1 1 0 时，应停止提升及向外方向变幅的动作； ( 2 ) 对小车变幅的起重机，起重力矩限制器应设有起重量和幅度的限位开关和触头； ( 3 ) 当起重力矩超过其额定值的9 0 时，自动报警； ( 4 ) 重量指标的控制应该进行分挡限速即不同的速度挡位限制不同的起重量i 2 弓板式力矩限制器分析 目前，被认为性能较稳定、调试较容易的力矩和起重量限制方案是弓板式力矩限制器和拉力 环式起重量限制器的组合应用。此方案中起重量的控制采用拉力环式起重量限制器可以达到国家 标准的要求：而关于力矩的控制采用弓板式力矩限制器，通过控制塔帽主弦上安放力矩限制器区 段的应变来控制起重力矩。塔式起重机塔帽主肢受力简单，受风载荷及回转惯性力影响小，塔帽 主肢的应变可以比较准确的反映起升载荷。但是，目前采用的弓板式力矩限制器一方面设置的微 动开关数目不够，不能实现g b 9 4 6 2 8 8 塔式起重机技术条件起重力矩按重量和幅度分别控制 的要求；另一方面以塔机塔帽主肢应变为常量，进行起重力矩控制，也存在一些缺点。 3 多功能力矩限制器分析 多功能力矩限制器由重量传感器和控制装置组成。重量传感器的作用是利用弹簧依据虎克定 律将亘鼍参数转化为线位移参数，通过细钢幺幺绳传给控制装置。控制装置由工作圆盘，曲线板、 微动开天( 重龌力矩开关) 、摆杆、拉板、触轮等组成；传动部分的蜗杆与变幅卷筒连接，通过一 蜗轮剐和一齿轮副将变幅小车的位移参数转变为旋转运动传递至限制器的工作圆盘上钢丝绳与 拉扳连接，确定不同耍龟拉扳的位置，每个重量参数对应一个扯板的位置。工作嘲盘上的曲线扳 驱动拦杆，使摆杆具有对应的确定位置，每个幅度参数对应个摆杆的位置。在最大起重繁幅度 以内，托板位置不变；相对应的摆杆位置也不变，因此其曲线为嘲弧，保证捏杆的位置不随幅度 的变化阿变化。存最大起重毓幅度以外采j j b 样条f f 线( 使弹性条通过5 个控制点i 酊形成的曲线) 进行力对，曲线的模拟，i i 上作嘲盘j 二的曲线板驱动捏仟，使摆扦具订对应的确定位置，即当幅 度一定时，栏竹位置一定；当重链达到控制值时，拉扳卜的微动歼灭( 噩毓力矩开灭) 与攫仃作i f j ， 实现此幅度下的蕾 i = 拧制。当暖带定时， t 扳位管一定；“钟* 应参数达到控制值时，j ：作侧芷主 中围农业大学硕士学位论文 上的曲线驱动摆杆转动，使摆杆与拉板上的微动开关( 重量力矩开关) 作用，实现此重量下幅度的 控制。这样一来，整个曲线的任意点都较准确的实现力矩参数的定幅变码和定码变幅的控制。 由此可见，多功能限制器通过修整曲线板的曲线，可以实现任何力矩特性的控制。使额定起 升力矩方程：m = ( q ) r ，保持塔式起重机塔身在各种幅度起吊额定起重量承受恒力矩，容易 实现力矩、重量及幅度的综合控制，便于同主机分离加工，实现配件的标准化、商品化。但是目 前广泛使用的多功能力矩限制器还存在以下缺点，有待改进： ( 1 ) 曲线板的曲线难以修正，适应性差。批量生产的曲线板不能适应不同生产单位、不同机型的 要求。 ( 2 ) 控制起升力矩和起重量的微动开关少，缺少起升力矩9 0 预警：不能实现起升力矩按起重量 和幅度分别调整的要求；当变幅小车速度超过4 0 m m i n ，由内向外运行，其起升力矩达到8 0 时，变幅机构自动高速转低速运行，重量控制方面缺少分挡限速。 ( 3 ) 由于变幅钢丝绳随着塔式起重机工作时间的变化其松紧程度也发生变化，造成小车真实位移 和力矩限制器所获取的数据不符，起重量传感器和多功能限制器距离远；受风载、温度等影 响大，造成力矩限制器性能不稳定。 4 结论 通过上述分析可知弓板式力矩限制器、拉力环式起重量限制器的组合应用方案及目前广泛采 用的多功能限制器必须对原来结构进行改进、增加足够的控制开关，并对电路进行改进，才能够 实现g b t 9 4 6 2 - - 1 9 9 9 塔式起重机技术条件的要求。 塔式起重机安全装置的发展趋势是运用传感器技术，电子技术和现代控制技术相结合，设计 出性价比高、可靠性高、调试方便、灵敏度高、适用于多种畸形，能够提高塔式起重机数字化操 作程度的安全保护装置。 1 3 研究的内容和方法 根据保护塔机安全工作的需要，研制出的塔机安全保护装置应能高精度、快速的完成起重量、 力臂长度和起重高度的测鼍和力矩的计算，并能及时可靠地发出报警信号和保护动作指令，并保 证装置调试简单方便。 本论文主要研究以下内容： 传感器的选型；重鼍采集系统的设计，力臂采集系统的设计，高度采集系统的设计；控制系 统的改汁。 总体设计方案为： 利用传感器采集高度信号、重甓信号、力臂长度信号，并选择合适的a d 转换器转换为数字 信号，用f p g a 设计控制系统，对a d 转换器进行控制，并对高度信号、重节信号、力臂长度信 号进行实时监测，实时计算力矩，在超f l 预改参数时发j “报警信譬和控制继电器的信号，使塔机 的电机停转，从m j 实现实时保护。 本改计的七要椎点： 1 如何选择合适的传感； 2 测母放人器的改汁( 业选择f 适的集成测 t 放人器) 3 中国农业大学硕士学位论文绪论 3 力臂长度信号、高度信号如何转换为数字信号并确定电机的转向 4 a d 转换控制器的设计、力矩的计算 在研究过程中，根据要求进行各参数的设计计算，确定控制部分的模型进行仿真，采用理论 研究和仿真相结合的方法确定各参数、控制系统以及相应的控制指令。 1 4 用f p g 和v h d l 进行设计的优点 2 0 世纪9 0 年代，由于个人电脑、无线电话和高速数据传输设备的发展需求，电子工业经历 了巨大的飞跃。为了赢得商业上的竞争，生产商的产品迫切需要追求高功能、优品质、低成本、 微功耗和微小封装尺寸。为此，生产商必须采用少量的i c 器件和面积尽可能小的p c 板来研制高 集成化的复杂系统。亚微米半导体工艺，p c b 表面安装技术的发展支持了产品的集成化程度的 进步。但是，在给定e d a 工具的条件下，随着产品上市时间周期的加速，设计复杂程度的提高， 影响生产商开发的瓶颈问题就是其设计能力，这个状况实际上孕育着对现代设计方法和现代测试 方法的普遍需求因此，高密度逻辑器件和v h d l 成为解决这些问题的关键所在。高密度现场可 编程逻辑器件，包括c p l d 和f p g a ，能够将大量逻辑功能集成于一个单片i c 之中。虽然半定制 和全定制的专用集成电路( a i s c ) 能够实现将大量数字逻辑功能集成于单片之中，但c p l d 和 f p g a 具有更多的灵活性：既适用于短研制周期、小批量产品开发，也可用于大批量产品的样品 研制。同时因其项目开发所需前期工程开发费用低的特点，更有着诱人的应用前景。 v h d l 非常适用于可编程逻辑器件的应用设计，并正在得以普及。在5 0 0 - - 2 0 万门的大容量 c p l d 和f p g a 的应用设计中，工程师若采用以往的布尔方程和门级描述的方式，难以快速和有效 的完成设计。而v h d l 却能够支持高级语言结构使工程师很方便的描述大型电路，促进产品的快 速上市它能够支持设计单元库的创建。以存储在附属子设计中重复使用的元件因为v h d l 是 一种标准语言，在综合和模拟工具之间，v h d l 代码具有可移植能力，即设计可用不同的器件来 实现。同样，采用v h d l 实现一个设计从可编程器件向a s i c 的转换也是便利的。 对于采用c p l d 、f p g a 或者a s i c 大型系统，传统的设计方式是行不通的，传统技术逻辑方程 的方式既费时、又易出错，且在方程式中查找错误也很困难。而图形输入方式在有许多优点，例 如：可以提供设计的图形观察，具有支持图形阶层结构的软件工具，使设计构成模块化形式。但 是，对于大型复朵的设计，纯图形输入方式也是有其弊端的。 一个较优先的设计方式应该能够提高设计的工作效率。较详细地米概括，它应该能促进殴计 输入、设汁理解、设计维护的便利和快捷。它即便不依赖于解释，也应该较方便于定义它应该 是开放的、非专用的，工业界能够接受的标准。它允许设计在不同的e d a 工具环境之间移植。其 模块可以封装成独立单元，重复使用。它支持阶层结构的复杂设汁和从j 级到系统级的设计。而 且可以用于逻辑电路的描述、综合，并可以支持多层次的设计描述。 仪仪有v h d l 和v e r i o g 两种语言能够满足数字逻辑设汁的返些需求。v e r l o g 似乎比v h d l 更 为简练，f e i 在论述设计i “j 题时就朱必使利。无论是文本的组合利用，还是综合，以及对器件和系 统的模拟方向，v h d l 都是一个较好的选择。v h d l 是往7 0 年代n s o 年代中，荚同同防部资助 的v t l s i c 项l = 丌发的产品。红这个语言首次开发 i j 朱时，其日 ，j 、仪是一个使电路文本化的一种标 准，为了使人们采 史本方描述的改汁，能够被其他人所岬解。m 时，也铍川米作为横型语言， 中国农业大学硕士学位论文绪论 用于采用软件进行模拟。v h d l 于1 9 8 7 年由i e e e 制定的1 0 7 6 标准所确认。今天，v h d l 已成为 一个数字电路和系统的描述、建模、综合的工业标准。在电子产业届，无论是a s i c 设计人员， 还是系统及设计人员，都需要学习v h d l 来提高他们的工作效率。由于v h d l 所具有的通用性，它 已成为可支持不同层次设计需求的标准语言。 1 采用v h d l 的原因 采用v h d l 的原因有： ( 1 ) 功能与灵活性：v h d l 具有功能强大的语言结构，可用简洁明确的代码描述来进行复杂控 制逻辑的设计为了有效控制设计的实现，它还具有多层次的设置描述功能，支持设计库和可重 复使用的元件，它支持阶层设计，且提供模块设计的创建。v h d l 是一种设计，模拟、综合的标 准硬件描述语言。 ( 2 ) 非依赖器件的设计：允许设计者生成一个设计而并不需要首先选择一个用来实现设计的器 件。对于同一个设计描述，可以采用多种不同器件组合来实现其功能若需对设计进行资源利用 和性能方面的优化，也并不是要求设计者非常熟悉器件的结构才行相反，你可以集中精力从事 你的设计构思。 ( 3 ) 可移植性：v h d l 可移植能力是允许设计者对需要综合的设计描述进行模拟，在综合之前 对一个数千门的设计描述进行模拟可以节约设计者可观的时间。在这时发现的设计上的错误就能 够在设计实现之前给予纠正。因为v h d l 是一种标准语言，故v h d l 的设计描述可以为不同的工具 所支持。从一个模拟工具移植到另一个模拟工具，从一个综合工具移植到另一个综合工具，从一 个工作平台移植到另一个工作平台。这意味着同一个v h d l 设计描述可以在不同的设计项目中采 用。 ( 4 ) 性能评估能力：非依赖器件的设计合和可移植能力允许设计者可采用不同的器件结构和不 同的综合工具来评估设计。在设计者开始设计之前，无需了解将采用何种器件，是c p l d 还是f p g a 。 设计者可以进行一个完整的设计描述，并且对其进行综合生成选定的器件结构的逻辑功能然 后辩评估结果，选用最适合你设计需求的器件。为了衡鼍综合的质量，同样可用不同的综合工具 所进行的综合结果，来进行分析、评估。 ( 5 ) a s i c 移植：v h d l 语言的效率体现之一，就是如果你的设计是铍综合到一个c p l d 或f p g a 的 话，则可使你设计的产品以最快速度上f f f 。当产品的产量达到相当的数景时，采_ i j v h d l 能很容 易地帮助你实现转p & a s i c 的设计。有时，用于p l d 的代码呵以直接用于a s i c 由于v h d l 是一个 成熟的定义型语言，用v h d l 来设计町以确保a s i c 厂商交付优良品质的器件产品。 ( 6 ) 上巾| 时间快，成本低：v h d l 语言和可编程逻辑很好地结合，将大大提高数字单片化设计 实现速度v h d l 语言使设计描述快捷、方便，可编程逻辑应用则将产品设计的前期风险投资降 到最低，并促使设计的快速复制简单易行。同时，多种综合工具支持这种形式的设计。v h d i 。和 可编程逻辑的组合作为一类强有力的设计方式，将为设计者的产品上f 州存来创纪录的速度。 2 - 编程逻辑器件的优点 采 | j ”，编程逻辑实现数。 ：系统改汁f j i 很多优点，最删显的是系统的器件使h 数人人减少。除 5 中国农业大学硕士学位论文绪论 了能节省器件数量外，可编程逻辑也可以节约昂贵的p c b 板面积、电源功耗、调试时间并且， 还能改善系统的性能和对设计实施加密可编程逻辑的最大优点就是设计的灵活性，这是分立元 件所无法具备的特征因为采用t t l 分立元件一且构成p c b 板级设计，任何逻辑改动必将采用跳 线和钻孔的方式。如果p c b 板生产量较大，必须重新设计，必然导致前期投资的大大提高，并使 产品上市时间推迟；而采用f p g a 进行同样的设计则不然，其p c b 板依然可用，无须破坏板上的连 线结构，只需修改逻辑、修改内部的连接关系即可可编程逻辑的另一个优点就在于允许用设计 工具帮助你自动的进行设计，不是像采用t t l 器件那样，需要人工的建立一系列等效布尔表达式 来进行逻辑设汁，而是创建一个设计描述，借助于逻辑综合和优化软件，来实现适当的设计在 可编程逻辑设计过程中实质性的工作是根据设计要求来生成设计描述，而设计过程的其他部分均 由软件自动地进行。 中国农业大学硕士学位论文 塔机安全保护器的总体设计 第二章塔机安全保护器的总体设计 2 1 塔机安全保护器的基本设计要求 所设计的塔机安全保护器应结构比较简单，安装调试方便，可通过对参数的调整适用于多种 塔机，并要求精度较高，反应速度快，可靠性高；能够通过对起重高度，起重量的监测，实现对 塔机的起重高度、起重量、力矩等越限进行报警，发出控制信号控制继电器动作，对塔机进行实 时保护。针对以上要求，可采用传感器采集高度、力臂，起重量等信号，利用单片机或现场可编 程门阵列实现力矩的计算、对a d 转换器的控制以及发出相应的保护信号。如果采用单片机，则 接口电路复杂且不能获得圆满的容错保障；而用现场可编程门阵列设计的有限状态机，可解决以 上缺点。 2 2 塔机安全保护器的的总体方案设计与选择 实现塔机安全保护器的设计可用以下几种方案： 方案一：传统模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的参数值和给定值比较 后，决定塔机的电机运行情况，其特点是：电路简单，易于实现，但系统的精度不高，并且调节 动作频繁，系统误差大，不稳定；系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，设定和修改参 数不方便。方案如下： 传 一信号放大卜+比 一信号放大卜 继 _ - 电 感 i 预设参数卜+ 较 电 机 器 器 器 图2 - 1 传统模拟控制方案 方案二：利用单片机控制系统实现力矩限制器的设计，方案如下： 中国农业大学硕士学位论文塔机安全保护器的总体设计 图2 2 单片机控制系统 1 、力矩限制器工作原理 单片机起重量测量装置和起重臂变幅长度测量装置。73 实时起重量和力臂长度，单片机内部实 时计算力矩大小，通过与额定起重力矩曲线比较，对塔机的起升和变幅运动进行控制。 2 、参数检测 ( 1 ) 塔机吊重的检测 通过对塔机结构及吊重受力分析，测力点选在吊臂前端起重钢丝绳固定点4 。，将拉力传感器 安装在钢丝绳和固定点之间。吊重通过钢丝绳将力传到传感器上，可以准确地测量出塔机的起升 重量。 ( 2 ) 塔机吊重幅度的检测 塔机变幅小车由缠绕在变幅卷扬机卷筒上的钢丝绳拖动，带动变幅小车沿塔臂前后移动。因 此，通过在卷筒轴端安装一个旋转编码器，随着卷扬机的转动，编码器输出一组与变幅小车移动 距离成正比的脉冲。通过对脉冲数据的测量，即可确定变幅小车距吊臂根部铰点的距离。测量 精度可以根据控制要求选定编码器的额定输出脉冲数。 设卷简直径为d ，编码器每转输出脉冲数为n ，则变幅小车距吊臂根部铰点的距离为： x = 石d a ”公式( 2 1 ) 式中a 实测脉冲数。 3 ，系统硬件结构 力矩限制器控制系统硬件结构原理框图如图2 2 所示。 系统秉_ l j c s 一5 1 单片机为核心9 ，配以传感器及放人整形电路，对主控参数进行检测。通过 输出驱动电路对起升电机，变幅电机、叫转电机进行控制，当力矩超限时发出声光报警。选用人 容链的町直接陂写的电栋除芯片e e p r 0 、i 存储器，可存储k 达3 r a i n 的实时数据，以备将来分析之_ l j 。 选h | 使h j l 0 年4 i 更换的实时时钟。 方寮- - ：利 甘c p l d f p g a 实脱塔机安全保护器的设计 中固农业大学硕士学位论文塔机安全保护器的总体设计 该设计分为三部分： 1 、 利用拉压传感器、测量放大器、a d 转换器获得起重量信号的数字量 2 、 利用光电脉冲编码器把高度和力臂转变为计数值 3 、利用现场可编程门阵列设计计数器、乘法器、比较器和有限状态机，实现对各信号的采 样、对a d 转换器的控制以及发出相应的控制信号，驱动继电器工作，实时对变幅电机和起 升电机进行控制，同时可发出报警信号。 基本结构为： 起重量 j 拉压传感器h 雅放大器卜匝亟小 光电脉冲编码嚣l 局度 控制系统 ，1 屋 卜 4 自_ ! t 自m l 兀电脲f r 口i 7 图2 - 3 用f p g a c p l o 实现的方案 方案说明： l ，起重量传感器使用轮辐式拉压传感器，a d 转换器用1 2 位m d 转换器a d 5 7 4 ： 2 ，高度和力臂信号的采集可用自行设计的脉冲编码器，直接转换为数字量； 3 、控制系统可用c p l d f p g a 来实现，用v h d l 语言编写控制系统的代码，实现对a d 转 换器的控制，并检测起吊高度、起重量、力矩，并能越限报警，发出控制信号，驱动继 电器工作，实对对小车电机和起吊电机进行控制。 本设计拟采用第三种方案。相比前两种方案， 相对简单，系统可靠性高，具有良好的可移植性， 成本低，可对系统进行在线升级。 2 3 主要芯片的选型 本方案采用f p g a 作控制芯片，控制电路 采用自顶向下的设计方法，设计周期短， 奉改计中的主要芯片有a d ，集成测链放大器芯片，f p g a 芯片。在本话中，将分析对 它们的功能与需求，并且确定最终使用的型号。 2 3 1a d 芯片的选型 a d 转换器把起重量信号转换为数字量，传输到控制系统。a d c 芯片口f 进行1 2 位的转换 即可保证精度，在奉系统中不需受象视频采集系统巾的商速采样，每秒进 r5 - - 1 0 次采样 处理即f 叮，因此w 选用a d 5 7 4 。 2 3 2 集成测量放大器的选择 测节放人器把传感器转换得到的模拟信寸放人到足够的幅值，作为a d 转换器的输入信 l j ，要求测譬放人电路篮7 f 足够人的i 乜压放人仍数、共模抑制比要人、输入t 乜阻要人，自 中国农业大学硕士学位论文 塔机安全保护器的总体设计 行设计测量放大器，也可选用集成测量放大器，集成测量放大器与由运放组成的测量放大器 相比，具有性能优异、体积小、抗干扰能力强、使用方便等优点。可选用集成测量放大器a d 5 2 1 。 2 3 3 控制芯片的选择 控制系统采用f p g a c p l d 来实现。根据本系统所占用的资源，对速度的要求等方面，可 选择现场可编程门阵列( f p g a ) ，f p g a 适用于时序电路的设计，通常基于s r a m 结构，可任意 次重复檫写，选用美国m t e r a 公司生产的f l e x l 0 k 系列的芯片。 2 4 主要芯片原理介绍 本节中简要介绍了a d 转换a d 5 7 4 、集成测量放大器a d 5 2 1 、f p g a 芯片f l e x l o k l o 三个主要芯片的性能、原理。 2 4 1a d 转换芯片 d 5 7 4 a d 5 7 4 ，其主要功能特性如下： ( i ) 分辨率：1 2 位 ( 2 ) 非线性误差：小于1 2 l b s 或1 l b s ( 3 ) 转换速率：2 5 u s ( 4 ) 模拟电压输入范围：o 一1 0 v 和0 - - - 2 0 v ，o 一5 v 和o 一1 0 v 两档四种 ( 5 ) 电源电压：1 5 v 和5 v ( 6 ) 数据输出格式：1 2 位8 位 ( 7 ) 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式 b l j m ：ki i i a a - r j l 、d n j 、f i ；l 卫 n t x 图2 - 4a 1 ) 5 7 4 芯片功能模块图 l 叮选择1 2 位输，保订转换枇度，输入l 也压选0 - - 5 v ，l 乜源电压5 v 。 0 中国农业大学硕士学位论文塔机安全保护器的总体设计 a d 5 7 4 a 的工作模式：a d 5 7 4 a 工作于单一模式，只需将c e 、t 2 1 8 端接至+ 5 v 电源端，嚣和 a 0 接至0 v ，仅用l 【，e 端来控制a d 转换的启动和数据输出。当r c = 0 时，启动a d 转换器， 经2 5 u s 后s t s = i ，表明a d 转换结束，此时将r ，e 置1 ，即可从数据端读取数据。 a d 5 7 4 控制端标志意义如表2 - 1 表2 一 a d 5 7 4 控制端标志意义 c ec - gr ，芒1 2 8a o工作状态 0xxxx 禁止 lx xx禁止 l00xo启动1 2 位转换 tooxi 启动8 位转换 l 0 l接+ 5 vx1 2 位并行输出有效 l0l 接0 v 0 高8 位并行输出有效 l0l 接0 v l 低4 位并行输出有效 2 4 2 集成测量放大器a d 5 2 1 a d 5 2 1 为标准1 4 引脚双列直插封装，它的电压放大倍数由外接电阻调节，其引脚排列与基 本接法如图2 - 5 所示【10 1 。引脚o f f s e t ( 4 、6 ) 两端接l o k q 电位器的固定两端，滑动端接负电 源端，用来调节放大器的零点。通常s e n s e ( 1 2 ) 端和u o ( 7 ) 端相连，参考端r e f 接地，使负 载上的信号电压和测量端s e n s e 与参考端r e f 之间的电压一致。 放人f 数为 ( a ) r g r s s e n s e 陆 r s c 0 t 协 m u 一 图2 - 5a d 5 2 1 的引脚排列与基本接法 ( a ) 引脚排列( b ) 基本接法 ( b ) 帆帆町l哪砺帆帆一u一砺 中国农业大学硕士学位论文塔机安哞= 保护器的总体设计 a 。= u 以j i = r s r a公式( 2 2 ) 放大倍数在o 1 1 0 0 0 范围内调整，通常r s 固定，r g 可调节，具体取值由传感器的输出范围和 a f d 转换器的输入电压决定。 2 4 3f l e ) ( 1 0 k 系列的f p g 一、f p g a 概述 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路( 微处理器、存贮器以及标准逻辑电路等) 广泛应 用的社会。信息高速公路、多媒体电脑、移动电话系统、数字电视，各种自动化设备以及我们日 常的一些小制作都要用到数字集成电路。与此同时，数字集成电路本身也在不断地进行更新换代。 它由早期的电子管、晶体管、小规模集成电路( 几十一几百门) 、中规模集成电路( m s i c 几百一几千 门) 、大规模集成电路( l s i c ，几千- 几万门) 发展到超大规模集成电路v l s i c ，几万门以上) 以及许 多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已 不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，而且 希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投 入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件( f p l d ) ，其中应用最广泛的当属现场可编程门 阵3 i i j ( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存贮器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮, 器( e e p r o m ) - - 种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。 其后，出现了_ 类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ，它能够完成各种数字 逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以 用“与一或”表达式来描述，所以，p l d 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶 段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑和a g a l ( 通用阵列逻辑) 。p a l 由一个可编程的。与”平面 和一个固定的“或”平面构成，或门的使用可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。p a l 器 件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术等。还有一类 结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵，t j ( p l a ) ，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构 成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。p l a 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。 在p a l 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑( g a l ，g e n e r i ca r r a yl o g i c ) ，它采用e e p r o m 工 艺，实现了电可撩除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的 灵活性。 这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单 的结构也使它l j 只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期。a l t e r a 和 x i l i n x 分别推出了类似于p a l 结构的扩展掣e p l d ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和与标准 门阵列类似的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成 度高以及适_ j 范幽宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵列的优点，u 丁实现较大舰模的 电路，编程也很灵活。与门阵列等其它a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c ) 午h 比，它们又具有设汁开发周 期矩、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质 ： 稳定以及一，丈时红线榆验等优 点因此破j “泛应心于产锚的原掣改汁和产品牛产( 一般在5 0 0 0 件以下) 2 - 中。几乎所有应川f j 阵 列、p l d 和q 1 小规设通 h 数亨集成电路的场合均- 0 应4 f p g a 平l i c p l d 器件。 中围农业大学硕士学位论文塔机安全保护器的总体设计 二、f l e x i o k 系列器件的功能描述 f l e x i o k 主要由嵌入式阵列块、逻辑阵列块，f a s t t r a c k 和i o 单元四部分1 组成。 1 嵌入式阵列 嵌入式阵列是由一系列的e a b ( 嵌入式阵列块) 构成的。当要实现有关存贮器功能时，每个e a b 提供2 0 4 8 位用来构造r a m 、r o m 、f i f o 或双d r a m 等功能。当e a b 用来实现乘法器、微控 制器，状态机以及d s p 等复杂逻辑时，每个e a b 可以贡献1 0 0 到6 0 0 个门。e a b 可以单独使用， 也可以组合起来使用。 2 逻辑阵列 逻辑阵列是由一系列的逻辑阵列块( l a b ) 构成的。每个l a b 包含8 个l e 和一些连接线，每 个l e 含有一个4 输入查找表( l u t ) 、一个可编程触发器、进位链和级联链，l e 的结构能有效地 实现各种逻辑。每个l a b 是一个独立的结构，它具有共同的输入、互连与控制信号，l a b 的这 种“粗粒度”结构有利于布线和实现器件的高性能，例如8 位计数器、地址译码器或状态机。多 个l a b 组合起来也可以构成更大的逻辑块，每个l a b 代表大约9 6 个可用逻辑门。 3 f a s t t r a c k f l e x l 0 k 器件内部信号的互连和器件引脚之间的信号互连是由快速通道( f a s t t r a c k ) 连线提 供的，它是贯通器件长、宽的快速连续通道。 4 i o 单元 f l e x l 0 k 器件的i o 引脚是由一些i o 单元( 1 0 e ) 驱动的。i o e 位于快速通道的行和列的 末端，每个i o e 有一个双向i o 缓冲器和一个既可做输入寄存器也可做输出寄存器的触发器。 当i o e 作为专用时钟引脚时，这些寄存器提供了特殊的性能。当它作为输入时，可提供少于4 2 n s 的建立时间和0 n s 的保持时间：而作为输出时，这些寄存器可提供少于5 7 n s 的“时钟到输出”的 时间。i o e 具有许多特性，如j t a g 编程支持、摆串控制、三态缓冲和漏极开路输出。图2 4 是 f l e x i o k 结构的方框图。由图可以看出，一组l e 组成了一个l a b ，l a b 是排列成行和列的， 每一行也包含一个e a b 。l a b 和e a b 是由快速通道连接的，i o e 处于快速通道连线的行和列的 两端。 f l e x l o k 器件还提供了6 个专用输入引脚，这些引脚用来驱动触发器的控制端，以确保控 制信号高速、低偏移( 1 2 n s ) 地有效分配。这些信号使用了专用的布线支路，以便具有比快速通道 更短的延迟和更小的偏移。专用输入中的4 个输入引脚可用来驱动全局信号，这4 个全局信号也 能l j 内部逻辑疆动，它为时钟分配或产生用以清除器件内部多个寄存器的异步清除信弓提供了一 个理想的方法。 中国农业大学硕士学位论文塔机安全保护器的总体设计 j _ 11 i 一 ：e 0 c 砧r ? s 忒# e s ： 葛占揪一野罄 ， 0 a 嚣0 嚣- _ ! ：甚x 0 ：辫c ： 篙h 圆圆 毛， 回圆圈回 v ￥ i i _ 一峄：i 一； 一r - ：； 图2 - 6f l e x io k 器件的结构方框图 一二c 口r 册j 一二0 f ：| c _ 4 7 一 s i 。c i f 。f 江5 一：i 刊； 一 k 罩 设计中采用p s 方式对f p g a 进行配，基于以下儿个方面的考虑：( 1 ) p s 方式连线只有n c o n f g ， n s t a t u s ，d c l k ，d a t a o 和c o n f d o n e 五根信号线，连线简单。( 2 ) 与专川配置芯片方式可以兼 容( m s e l o ，m s e l l 设置不变) ，同时可以采用j t a g 下载进行比较验证。( 3 ) 与并行配置相比，误 操作的几率小，可靠性高，操作时序简单。p s 方式配置引脚定义及硬件连接图如表2 2 及图2 7 所示： 表2 - 2p s 配置方式引脚定义 d a t a 0 输出配置数据 d c l k 输出配置时钟 n c o n f i g 输出器件复位引脚 c o n f d o n e输入 状态位 n s t a t u s输入状态位 j 一 ；吉厂回u 矗1 回r 回1 回r 囡 ； 1 回 ! r 回 中国农业大学硕士学位论文 塔机安会保护器的总体设计 f l e x ta c e x 、 ?j a p e x 系列f p g a i j ；配置电路 i ：”；： - - r 卜：t 。 。二：骨 一l -