基于CAN總線和DSP的起重機多功能安全監(jiān)控系統(tǒng)

1、    基于CAN總線和DSP的起重機多功能安全監(jiān)控系統(tǒng)        張元良 張宗民 吳海霞 彭悅勇 時間:2008年12月12日     字 體: 大 中 小        關鍵詞:        摘? 要:關鍵詞: 安全監(jiān)控? 數(shù)字信號處理器ADSP2105? 控制器局域網(wǎng)

2、(CAN)?起重機用戶關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、風速(力)大小、起重過程中載荷振動情況以及下車的各種信息(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)設計的關鍵所在。近年來,現(xiàn)場總線技術、數(shù)字信號處理技術的不斷發(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)奠定了技術和物質(zhì)基礎?，F(xiàn)場總線(Field Bus)標準及其技術是國際自動控制領域關注的熱點,對于工業(yè)控制領域,采用現(xiàn)場總線的最

3、大優(yōu)點是可大量節(jié)約連接導線、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,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

4、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)字信號處理領域發(fā)生了革命性的變化。它采用哈佛總線結(jié)構,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

5、速信號的處理領域,自從問世以來,在短短不到20年的時間內(nèi),便迅猛發(fā)展,得到了極為廣泛的的應用。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)構簡圖?1.1 主節(jié)點(中央處理單元)系統(tǒng)主節(jié)點結(jié)構原理圖如圖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

6、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D15D8連接。ADSP2105的“D22”線提供PSD311的“A14”地址線,/BMS(Boot Memory Select)充當EP

7、ROM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,用于保存設置輸入的關鍵數(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80C552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)先權的15個中斷源。PSD311用作其外圍ROM、RAM 和譯碼芯片。80C592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

8、),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標準連接方法,如圖4所示。P82C150是帶有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)過計算得出相應工況下的起重機實際工況參數(shù),并與標準工作參數(shù)比較,當達到極限值的90%時預報警,超過100%時報警,并強

9、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)設置及調(diào)試、標定等輔助功能,根據(jù)顯示屏幕和語音提示實時了解相關的工況參數(shù),以便及時作出相應的操作。系統(tǒng)最大的特性是可以根據(jù)起重機的具體情況動態(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、風速報警器等而成為市場主流產(chǎn)品。?參考文獻1 甄正義,唐 超. 起重機多功能安全保護裝置.起重運輸機械，1996 (1)2 Sonnenberg Gary Deeny Jay A，Mc Farlan Rob. Automating