張澤根 周 洪 夏明曄

(武漢大學(xué)自動化系，湖北 武漢 430072)

0 引言

起重機運行環(huán)境復(fù)雜多樣，是事故率較高的一種工程機械。因此，必須使用起重機安全監(jiān)控裝置，以保證起重機設(shè)備運行在安全的范圍內(nèi)［1－4］。目前國產(chǎn)起重機監(jiān)控設(shè)備的缺陷主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

①起重機載荷和力矩計算模型粗糙，大多使用插值、查表法等方式進行數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)致計算模型基本沒有可移植性。

②監(jiān)控裝置硬件基礎(chǔ)相對落后，基本使用8位或16位單片機為系統(tǒng)硬件核心，造成系統(tǒng)功能的開發(fā)受限，無法完全滿足起重機設(shè)備新的監(jiān)控要求。

針對這種情況，本文設(shè)計開發(fā)了一種基于DSP的起重機智能監(jiān)控裝置。系統(tǒng)首先將傳感器提供的起重機參數(shù)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后利用DSP，結(jié)合本文設(shè)計的起重機載荷、力矩計算模型，得到相應(yīng)參數(shù)值，完成對起重機基本狀態(tài)的監(jiān)控。同時，系統(tǒng)包含有非正常運行參數(shù)自動存儲、隨時讀取以及設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

起重機的種類繁多，有汽車吊、履帶吊、門座機和岸橋機等。針對不同類型的起重機，其監(jiān)控裝置的設(shè)計思想大體是一致的，區(qū)別主要在于控制的參數(shù)和方式選擇上。本文主要以液壓式汽車起重機為例來闡述起重機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

1.1 系統(tǒng)技術(shù)要求

起重機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計主要有以下基本要求［1，5－7］。

①系統(tǒng)計算模型應(yīng)當(dāng)具有可移植性，并且便于設(shè)備的調(diào)試。因此，不宜采用傳統(tǒng)的查表和插值法相結(jié)合的建模方法。

②系統(tǒng)計算模型計算精度需達到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

③系統(tǒng)硬件設(shè)計應(yīng)符合目前起重機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

在起重機運行中，監(jiān)控系統(tǒng)需要實時獲取起重機吊臂抬升角度、吊臂長度和吊臂支撐油缸上下油腔壓力等各起重機運行參數(shù)，并通過計算相關(guān)模型，得到準(zhǔn)確的起重機負(fù)載和力矩等數(shù)據(jù)。針對起重機各種運行狀態(tài)，在發(fā)生危險狀況時，監(jiān)控系統(tǒng)能快速響應(yīng)，提供報警并控制起重機自動進行相關(guān)動作，避免事故的發(fā)生。同時，監(jiān)控系統(tǒng)能自動分析起重機的運行狀況，當(dāng)起重機非正常運作時，監(jiān)控系統(tǒng)能自動將相關(guān)運行數(shù)據(jù)存入存儲器，隨時供用戶分析使用。起重機遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備能夠?qū)ζ鹬貦C進行實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，并實時獲取起重機所有相關(guān)運行數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計

本文針對起重機的特點，結(jié)合相關(guān)技術(shù)要求，比較和借鑒現(xiàn)有的各種起重機監(jiān)控裝置解決方案，設(shè)計開發(fā)了基于DSP的起重機智能監(jiān)控裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

首先，角度、壓力和長度等傳感器將起重機吊臂抬升角度、吊臂支撐油缸上下油腔壓力和吊臂伸長長度等參數(shù)，以4～20 mA電流信號的形式輸入起重機智能監(jiān)控裝置的模擬量輸入口。輸入的4～20 mA電流信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路、信號放大和A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量信號，以供DSP進行計算處理。

接著，DSP對輸入的各起重機參數(shù)數(shù)字量信號進行數(shù)字濾波處理，并通過相關(guān)數(shù)學(xué)模型，計算獲得起重機的負(fù)載和力矩等數(shù)據(jù)。監(jiān)控裝置根據(jù)起重機所有相關(guān)運行數(shù)據(jù)情況，對起重機進行運行監(jiān)控。當(dāng)起重機運行出現(xiàn)異常時，監(jiān)控裝置通過開關(guān)量輸出端口提供報警信號，并對起重機進行相應(yīng)動作，使起重機向著正常的方向運行，預(yù)防事故的發(fā)生。同時，監(jiān)控設(shè)備會自動對起重機異常運行數(shù)據(jù)進行記錄［8－10］。

最后，監(jiān)控裝置直接通過 RS-232/485接口或GPRS通信設(shè)備［11－14］，與上位機及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端進行通信，實時提供起重機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并接收外部控制命令，實現(xiàn)對起重機設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控［15－18］。

同時，LCD顯示模塊及鍵盤模塊為操作人員提供了一個良好的人機接口，以實時顯示起重機的各運行狀態(tài)，并提供了一個現(xiàn)場操作終端。

1.2.1 模擬量信號預(yù)處理及A/D環(huán)節(jié)

模擬量信號預(yù)處理環(huán)節(jié)的功能是將傳感器提供的4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并對電壓信號進行放大處理，使處理后的電壓信號在A/D采樣芯片的采樣電壓范圍內(nèi)，可以被A/D采樣芯片進行信號采樣。本文采用LM224運算放大器，結(jié)合電阻、電容，組成模擬信號預(yù)處理電路。

LM224D為低功耗四路運算放大器，輸出級有短路保護裝置。4個運放之間具有良好的匹配性能和隔離性能，隔離抑制比為120 dB。放大器內(nèi)接頻率補償電路，開環(huán)電壓增益為100 V/mV，可應(yīng)用于有源濾波器、儀用放大器、醫(yī)療器械設(shè)備、精密測量系統(tǒng)、波形發(fā)生與變換電路和自動控制系統(tǒng)。

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用AD7862。該芯片是AD公司的一款12位并行高精度快速ADC，最高采樣速率為0.25 MS/s，可滿足系統(tǒng)采樣速率的要求。

1.2.2 DSP 數(shù)字信號處理環(huán)節(jié)

系統(tǒng)的信號處理環(huán)節(jié)由主控芯片DSP完成［19－20］，此環(huán)節(jié)是系統(tǒng)的核心。信號處理環(huán)節(jié)主要完成以下任務(wù)。

①對A/D環(huán)節(jié)得到的采樣信號進行數(shù)字濾波，從而得到準(zhǔn)確的起重機參數(shù)值，為系統(tǒng)計算做準(zhǔn)備。

②根據(jù)建立的起重機負(fù)載和力矩模型，計算起重機實時負(fù)載和力矩。

③分析起重機各運行數(shù)據(jù)，判斷起重機運行狀態(tài)，并對起重機做相應(yīng)的控制，預(yù)防起重機發(fā)生事故。

④直接通過RS-232/485或GPRS遠(yuǎn)程無線傳輸，與上位機及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端進行數(shù)據(jù)通信，發(fā)送起重機運行狀態(tài)參數(shù)，接收遠(yuǎn)程控制命令。

1.2.3 數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié)

數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié)主要由RS-232/485以及GPRS通信裝置構(gòu)成［21－24］，以實現(xiàn)監(jiān)控裝置與上位機及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)通信，滿足對起重機設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等的目的，使用戶能夠?qū)崟r、集中地監(jiān)控管理起重機群的運作過程。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

本文的研究對象為某公司生產(chǎn)的液壓式汽車起重機。以下的分析、論述都是以該公司的50D521型號液壓式起重機為基礎(chǔ)。

液壓式汽車起重機的起重量數(shù)學(xué)模型為:

式中:L1為主臂絞點與油缸上絞點距離;L2為主臂絞點與油缸下絞點距離;θ為主臂和主臂絞點—油缸下絞點連線間的夾角;M0為主臂OA和吊鉤的重量;L為主臂的長度;m為吊鉤和載重的質(zhì)量和;P為變幅油缸的壓力差;K為起重機油腔壓力與起重量的關(guān)系系數(shù)。

至此，我們便完成了液壓式汽車起重機的起重量數(shù)學(xué)模型總體構(gòu)架，建立了載重、模型系數(shù)、壓力、角度和臂長等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式。為了具體分析液壓式汽車起重機各個非理想因素對起重機起重量的具體影響，本文已利用已有的試驗數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)模型總體構(gòu)架中的模型系數(shù)K進行具體分析。

由K－θ曲線圖分析得知，起重機不同運行狀態(tài)下的曲線恒過定點，且曲線彎曲形式也非常相似。這樣我們就可以假設(shè)在起重機不同運行狀態(tài)下，以其中一條曲線為基準(zhǔn)，其余的K－θ曲線通過該基準(zhǔn)線繞定值點A，旋轉(zhuǎn)某一角度Δα后得到，從而通過對定點不同的角度旋轉(zhuǎn)，得到同型號起重機各種運行狀態(tài)下的K－θ關(guān)系模型，并以此計算起重機載荷、力矩等運行數(shù)據(jù)，供工作人員使用。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立好的情況下，根據(jù)上述基于DSP的起重機智能監(jiān)控裝置設(shè)計思想，本節(jié)主要介紹實現(xiàn)監(jiān)控裝置目標(biāo)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of system hardware

系統(tǒng)硬件按照其功能可以分為以下7個模塊。

①電源轉(zhuǎn)換模塊主要由多個穩(wěn)壓集成電路結(jié)合相應(yīng)外圍電路組成，負(fù)責(zé)將24 V電源輸入轉(zhuǎn)化為15 V、12 V、5 V、3.3 V 和 1.8 V 等多個電壓等級，供整個硬件系統(tǒng)各模塊和傳感器等使用。

②數(shù)字信號處理模塊是系統(tǒng)中的核心信號處理模塊。系統(tǒng)采用美國德州儀器公司(TI)的TMS320F2812芯片，它是本系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)信號的采集、處理、控制命令和對外通信［27］。

③模擬量信號采集模塊主要由運算放大器LM224和A/D采樣芯片AD7862組成，完成對傳感器提供的模擬量電流信號的采樣。

④譯碼及接口擴展模塊主要由復(fù)雜可編程邏輯器件XC9536-5VQ44C及總線收發(fā)器SN74LVC16245ADL組成［25－28］，主要對系統(tǒng)的多個控制、標(biāo)志信號進行邏輯編程及模塊間電平轉(zhuǎn)換，并擴展系統(tǒng)接口資源。

⑤數(shù)據(jù)通信模塊主要由芯片MAX232、MAX485及GPRS通信模塊組成，完成就地監(jiān)控裝置與上位機、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的通信。

⑥人機接口模塊由240×128大屏幕LCD及3×4鍵盤組成系統(tǒng)的友好人機界面，對起重機運行狀態(tài)進行詳細(xì)顯示，并提供控制輸入接口。

⑦時鐘及存儲器模塊由DS12B887時鐘芯片及24C64存儲器芯片組成，為監(jiān)控系統(tǒng)提供當(dāng)前時間及作為整個監(jiān)控裝置的數(shù)據(jù)存儲空間。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

基于DSP的起重機智能監(jiān)控裝置的軟件設(shè)計，主要通過對DSP編程實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flowchart of software

程序初始化主要包括以下內(nèi)容。

①DSP相關(guān)功能模塊的初始化，包括外圍功能模塊、功能模塊向量表、系統(tǒng)時鐘、GPIO、中斷、串口和事件管理器的初始化。

②DS12887時鐘功能模塊的初始化，包括進行內(nèi)部時鐘時間自調(diào)，獲取秒、分、時、日、月、年和星期的值。

③24C64存儲功能模塊的初始化，包括對存儲器地址中的多個數(shù)據(jù)進行初始設(shè)定。

④LCD顯示模塊的初始化，包括清屏、設(shè)置LCD的CGRAM、為LCD的各顯示設(shè)定以及初始化屏幕顯示內(nèi)容等。

這些初始化的設(shè)置和程序可以參考相應(yīng)模塊的用戶手冊。

系統(tǒng)初始化后，首先對鍵盤進行掃描，檢測是否有鍵盤操作信號輸入。然后等待采樣定時的到達，進入A/D采樣程序。得到采樣數(shù)據(jù)后，利用中值濾波加消抖濾波法，對采樣數(shù)據(jù)進行濾波。然后利用計算模型，對有效采樣值進行相關(guān)計算，并分析計算結(jié)果，確定起重機的運行狀況。同時，系統(tǒng)開啟外部數(shù)據(jù)輸入的中斷，當(dāng)有外部指令輸入時，進入中斷讀取指令。最后，根據(jù)鍵盤掃描結(jié)果、采樣值分析結(jié)果和外部指令要求，對屏幕進行更新，并執(zhí)行相應(yīng)動作。執(zhí)行動作內(nèi)容主要包括故障報警、起重機制動等開關(guān)量信號的輸出，向上位機、遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置發(fā)送起重機運行參數(shù)信號等。本節(jié)著重介紹的是A/D采樣程序、數(shù)據(jù)濾波程序和數(shù)據(jù)通信程序。

4.1 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

A/D轉(zhuǎn)換程序用于對A/D采樣模塊的控制和采樣，得到起重機吊臂長、吊臂抬升角度和吊臂支撐油缸上下油腔壓力信號的采樣值，并將采樣值傳送給DSP芯片。

A/D采樣程序控制A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7862以0.5 kHz的頻率進行采樣，即采樣間隔為2 ms。采樣速率利用DSP芯片F(xiàn)2812內(nèi)部定時器0進行精確控制。在T0中斷發(fā)生后，DSP在T0中斷服務(wù)子程序中控制GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOB3。AD7862 的 CONVST接收到該信號后開始對電壓波形信號進行采樣。采樣完成后發(fā)出一個中斷信號到F2812的外部中斷XINT1，XINT1中斷產(chǎn)生后進入中斷子程序讀取A/D采樣值。4個信號的值按順序逐個采樣的方式獲得，采樣值存放在數(shù)組 sample1［1000］、sample2［1000］、sample3［1000］、sample4［1000］中。

4.2 數(shù)字濾波程序設(shè)計

DSP應(yīng)用系統(tǒng)的干擾不能完全依靠硬件解決，因此，有必要進行軟件抗干擾設(shè)計。

對于實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器通道中的干擾信號，在硬件上常采取有源或者無源RLC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成模擬濾波器對信號實現(xiàn)頻率濾波。同樣，運用CPU運算、控制功能也可以實現(xiàn)頻率濾波，完成類似模擬濾波器的功能。這就是數(shù)字濾波。

在一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常采用一些簡單的數(shù)值、邏輯運算處理來達到濾波的效果。這些方法有中值濾波、算術(shù)平均濾波、遞推平均濾波、限幅平均濾波、一階滯后濾波和限幅消抖濾波等。這樣經(jīng)過數(shù)字濾波，可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響。本次研究對采樣結(jié)果采取了中值濾波和遞推平均濾波。

在系統(tǒng)濾波程序中，首先對20個(可以設(shè)定)采樣值進行中值濾波，得到有效采樣值，再使用遞推平均濾波對多個有效采樣值進行濾波，得到最終采樣數(shù)據(jù)，供計算程序計算使用。通過兩次濾波，可以基本除去系統(tǒng)脈沖擾動并消除起重機運行時的抖動對數(shù)據(jù)的影響，得到平滑的采樣數(shù)據(jù)。

4.3 通信程序設(shè)計

4.3.1 通信協(xié)議

RS-232/485及GPRS通信程序主要實現(xiàn)與上位機、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備之間的通信。當(dāng)系統(tǒng)接收到外部命令，需要系統(tǒng)對外發(fā)送數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)將相關(guān)數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送出去。系統(tǒng)通信使用自定義通信協(xié)議，協(xié)議使用基本數(shù)據(jù)幀格式。發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，發(fā)送方已經(jīng)通過呼叫幀與下位機形成連接。系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)幀格式Fig.4 Format of data frame

起始字符，數(shù)據(jù)幀起始標(biāo)志，表示數(shù)據(jù)開始。以FFH、00H表示數(shù)據(jù)的開始，如果收到的數(shù)據(jù)包不是以這個開頭，則丟棄。

手機號碼，一個起重機監(jiān)控終端的標(biāo)志，表明該數(shù)據(jù)為此起重機發(fā)送。

數(shù)據(jù)類型標(biāo)志，用于表明這幀數(shù)據(jù)的內(nèi)容?！?000”為起重機當(dāng)前運行狀態(tài)參數(shù)，“FF FF”為起重機運行數(shù)據(jù)歷史記錄，即異常運行狀況歷史記錄。

數(shù)據(jù)內(nèi)容，通信中需要傳輸?shù)木唧w數(shù)據(jù)內(nèi)容。

異或校驗，對起始字符、手機號碼、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)內(nèi)容4個字段的異或校驗。異或校驗是針對數(shù)據(jù)塊而不是單個字節(jié)，發(fā)送方對數(shù)據(jù)塊中的各個字節(jié)進行異或，產(chǎn)生一個字節(jié)的校驗位，附加在數(shù)據(jù)塊結(jié)尾，接收方收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)的各個字節(jié)進行異或后，再與異或校驗位相比較，以作為判斷數(shù)據(jù)傳輸是否出錯的標(biāo)準(zhǔn)。

4.3.2 通信過程

建立連接的過程是上位機、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備通知就地監(jiān)控裝置，要求監(jiān)控裝置發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，就地設(shè)備接收到指令，并回復(fù)響應(yīng)幀及數(shù)據(jù)幀的過程。

上位機、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行校驗，如果校驗正確，則結(jié)束此次通信，否則，重新發(fā)送指令幀。請求重發(fā)的次數(shù)系統(tǒng)規(guī)定最多為3次，超過后，這次的通信會結(jié)束退出。

4.3.3 數(shù)據(jù)校驗

差錯控制用于傳輸數(shù)據(jù)的錯誤檢查和錯誤糾正，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在實際的信息傳輸中，由于受外界干擾，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)/命令幀丟失或出錯的情況。這種情況會導(dǎo)致雙方都處在等待對方數(shù)據(jù)的狀態(tài)，即進入死鎖狀態(tài)。為防止這種情況的出現(xiàn)，本系統(tǒng)采用了以下措施:限制通信時間。當(dāng)上位機、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備發(fā)送指令幀后，如果在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到就地監(jiān)控裝置的響應(yīng)，則認(rèn)為幀丟失并重發(fā)指令幀;如果發(fā)送3次仍沒有收到響應(yīng)，系統(tǒng)則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)異常，退出通信任務(wù)。

5 結(jié)束語

本文研究開發(fā)的基于DSP的起重機智能監(jiān)控裝置，與國產(chǎn)一般起重機監(jiān)控裝置相比，具有以下特點:采用理論建模與數(shù)據(jù)分析建模相結(jié)合的建模方式，具有可移植強、調(diào)試簡單等特點;采用高性能的DSP作為監(jiān)控裝置的核心，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力、穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的可擴展性都更強;結(jié)合無線遠(yuǎn)傳技術(shù)，實現(xiàn)對起重機設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理、遠(yuǎn)程調(diào)度;對非正常運行數(shù)據(jù)能夠自動保存，并能隨時讀取，以利于發(fā)現(xiàn)隱患，保障安全。

通過現(xiàn)場的調(diào)試與測試，檢驗得到整個監(jiān)控裝置的運行狀況以及整個系統(tǒng)的計算精度和控制效果皆達到既定標(biāo)準(zhǔn)。

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