余向陽(yáng)，蘇 娟，宋宇宙，韋權(quán)偉

（1．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082;2．長(zhǎng)沙海川自動(dòng)化設(shè)備有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、通信和控制技術(shù)的發(fā)展，塔機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)也在不斷提高。但如何提高塔機(jī)的安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)覆蓋全國(guó)的塔機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)，使運(yùn)營(yíng)商更好地掌握用戶的塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)施遠(yuǎn)程管理和監(jiān)測(cè)，這方面的研究還很少。本文提出了基于通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）的塔機(jī)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案［1］，并給出了實(shí)現(xiàn)方法，以C8051F120單片機(jī)為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集，本地實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)，基于Internet遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等功能，為大范圍的塔機(jī)監(jiān)測(cè)提供了一種新思路。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于GPRS的塔機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括塔機(jī)在線數(shù)據(jù)采集終端和無(wú)線遠(yuǎn)程終端、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)、設(shè)備管理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心、監(jiān)控中心（客戶端、數(shù)據(jù)庫(kù)）等4個(gè)子模塊，如圖1所示。在線數(shù)據(jù)采集終端將采集到的各種參數(shù)信息本地存儲(chǔ)且可將數(shù)據(jù)采用SD卡導(dǎo)出，并通過(guò)GPRS通信單元以無(wú)線方式發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到Internet，最終傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心服務(wù)器［2，3］，授權(quán)用戶可通過(guò)監(jiān)控終端登錄數(shù)據(jù)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)查詢監(jiān)測(cè)且可導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)記錄。采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)匯入大型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，使得獲取數(shù)據(jù)的渠道多樣化，安全性也得到提高。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件部分包括信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無(wú)線遠(yuǎn)程通信模塊等，硬件原理框圖如圖2所示。

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

圖2 系統(tǒng)總體框圖Fig 2 Block diagram of system

2．1 模 塊

塔機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端主要由專用傳感器和監(jiān)測(cè)儀表組成，能夠在線監(jiān)測(cè)塔機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行工況參數(shù)。采集終端和配套的重量傳感器、編碼器、行程限位器、風(fēng)速儀等采集塔機(jī)運(yùn)行的重量、高度、幅度、風(fēng)速并計(jì)算出負(fù)載力矩。A/D采樣模塊與前級(jí)的重量傳感器及其變送電路、線性光耦隔離電路共同完成信號(hào)采集模塊重量的檢測(cè)，因此，這部分采集模塊包括:重量傳感器及其變送電路、線性光耦隔離電路、A/D采樣模塊。

2．1．1 重量傳感器及其變送電路

由重量傳感器輸出的模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò)放大、濾波、限幅等調(diào)理電路后才能輸入到A/D口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。重量傳感器的靈敏度為1 mV/V，采用5 V直流電源供電，滿負(fù)荷輸出為5 mV，信號(hào)較低，若供電電源精度和穩(wěn)定性不高，則會(huì)直接影響到傳感器的測(cè)量精度和誤差，為此傳感器供電電源采用高精度的三端穩(wěn)壓集成電路LP2954，穩(wěn)壓輸出精度達(dá)到0．12%，滿足系統(tǒng)測(cè)量精度的要求。放大器采用低溫漂高精度儀用運(yùn)算放大器AD620，AD620具有高增益、低失調(diào)電壓和電流、低電壓漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比、低溫度漂移等特點(diǎn)，是一種通用性極強(qiáng)的儀用運(yùn)算放大器。

2．1．2 線性光耦隔離電路

本系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣的建筑施工領(lǐng)域，各種強(qiáng)干擾不可避免，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，設(shè)計(jì)了線性光耦隔離電路，其原理如圖3所示。

圖3 線性光耦隔離電路Fig 3 Linear and optical coupling isolating circuit

輸入信號(hào)ZL_S經(jīng)過(guò)C16濾波，從R12進(jìn)入，電流流向是從R12到U8的3腳，然后經(jīng)過(guò)U8的4腳到地，U6及其外圍電路輸出信號(hào)使U8的1，2腳之間的發(fā)光管導(dǎo)通，由于該發(fā)光的導(dǎo)通使U8的3，4腳之間的電流和5，6腳之間的電流大小一致，因此，U7的1腳輸出信號(hào)與輸入信號(hào)大小一致，W2起微調(diào)作用，減少因?yàn)樵骷?shù)不一致導(dǎo)致的誤差，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)后級(jí)的有源低通濾波電路進(jìn)行處理，減少信號(hào)中的高頻干擾。

2．1．3 A/D 轉(zhuǎn)換模塊

重量參數(shù)經(jīng)過(guò)變送電路、線性光耦隔離電路后輸出的連續(xù)變化的模擬量須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能輸入單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)的處理。綜合考慮各種情況與工程應(yīng)用的實(shí)際需要，本系統(tǒng)選用的A/D轉(zhuǎn)換器為AD7706芯片。AD7705/7706是應(yīng)用于低頻測(cè)量的2/3通道的模擬前端，該器件可以接收直接來(lái)自傳感器的低電平的輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。利用∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16位無(wú)丟失代碼性能。選定的輸入信號(hào)被送到一個(gè)基于模擬調(diào)制器的增益可編程專用前端，片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號(hào)，通過(guò)片內(nèi)控制寄存器可調(diào)節(jié)濾波器的截止點(diǎn)和輸出更新速率，從而對(duì)數(shù)字濾波器的第一個(gè)陷波進(jìn)行編程。

2．2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

為了保障發(fā)生事故后所記錄的數(shù)據(jù)不被物理?yè)p壞，主機(jī)中將存儲(chǔ)模塊做成黑匣子結(jié)構(gòu)，能保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的安全。黑匣子內(nèi)部有自己的微控制單元P89LV52，同時(shí)含F(xiàn)LASH芯片、非易失性RAM芯片及作為外部存儲(chǔ)的SD卡。該部分電路的供電部分采用一種新型的隔離電源模塊，使該部分電源與信號(hào)采集模塊的電源相互隔離，提高可靠性。該模塊與信號(hào)采集MCU之間的數(shù)據(jù)交換也是采用高速光電耦合器通過(guò)串口進(jìn)行通信，使該部分電路與信號(hào)采集模塊的電源系統(tǒng)與數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全隔離，真正實(shí)現(xiàn)黑匣子的功能要求。存儲(chǔ)芯片內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)SD卡導(dǎo)出，在PC機(jī)上還原，數(shù)據(jù)可作為事故的重要證據(jù)。

2．3 無(wú)線遠(yuǎn)程通信模塊

利用GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)格式必須符合互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。由于TCP的協(xié)議頭與數(shù)據(jù)傳輸控制比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸效率低，塔機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸?shù)氖菍?shí)時(shí)小數(shù)據(jù)量的應(yīng)用，因此，使用基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議［4，5］。

無(wú)線遠(yuǎn)程終端主要包括3個(gè)子模塊:微處理器、GPRS無(wú)線傳輸模塊、全球定位系統(tǒng)GPS，其功能主要是接收下位儀表的各種數(shù)據(jù)，然后以無(wú)線方式傳輸?shù)娇晒?shù)據(jù)中心使用的網(wǎng)絡(luò)上去，如圖1所示。微處理器采用C8051F120單片機(jī)，以串口通信的方式與在線數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行雙向通信。首先微處理器發(fā)送查詢命令，在線數(shù)據(jù)采集終端接收到命令后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器。微處理器將這些數(shù)據(jù)暫存，并準(zhǔn)備將其通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)。GPRS模塊的功能是將接收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成GPRS信號(hào)，利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到移動(dòng)通信數(shù)據(jù)中心。當(dāng)GPRS模塊正常工作后，其就在無(wú)線遠(yuǎn)程終端與移動(dòng)通信中心之間建立了一個(gè)完全透明的傳輸通路。無(wú)線遠(yuǎn)程終端在與數(shù)據(jù)中心通信之前需要首先進(jìn)行握手連接，保證其為安全登陸。在登陸過(guò)程完成后，無(wú)線遠(yuǎn)程終端方可向數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。為了使數(shù)據(jù)中心能夠了解每臺(tái)設(shè)備所在的地理位置，無(wú)線遠(yuǎn)程終端都外接了 GPS，GPS以RS—232的通信方式將定位信息傳輸?shù)綗o(wú)線遠(yuǎn)程終端中。通過(guò)對(duì)GPS數(shù)據(jù)的解析，獲得系統(tǒng)的地理信息。

3 軟件的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

塔機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件程序容量比較大，且實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。這樣整個(gè)系統(tǒng)層次分明，邏輯清楚，便于程序的調(diào)試和修改，又提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可維護(hù)性。塔機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要包括主控制模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、遠(yuǎn)程與主機(jī)通信模塊等。

3．1 主控制模塊軟件設(shè)計(jì)

主控制模塊是全套軟件的指揮中心，他將其他模塊有機(jī)地連接在一起。其主要功能是完成系統(tǒng)的初始化、上電自檢與顯示、鍵盤(pán)掃描并根據(jù)不同按鍵執(zhí)行不同的功能以及A/D采集、力矩計(jì)算、判斷參數(shù)是否超限等，工作流程如圖4所示。

3．2 遠(yuǎn)程通信部分軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線遠(yuǎn)程終端與信號(hào)采集終端的通訊在開(kāi)始階段是采用的中斷方式，當(dāng)無(wú)線遠(yuǎn)程終端通過(guò)串口向主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)后，將觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接收中斷，主機(jī)識(shí)別出這一標(biāo)志后，立刻進(jìn)入非中斷方式，與無(wú)線遠(yuǎn)程終端進(jìn)行一問(wèn)一答的單向通信方式。無(wú)線遠(yuǎn)程終端接著發(fā)送需要索取的內(nèi)容，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)請(qǐng)求的內(nèi)容發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再次進(jìn)入中斷方式，準(zhǔn)備新一輪通信，流程圖如圖5所示。

3．3 數(shù)據(jù)輸入模塊

圖4 主程序工作流程圖Fig 4 Flow chart of the main program

圖5 無(wú)線遠(yuǎn)程終端與主機(jī)通信流程Fig 5 Flow chart of wireless remote terminal and host computer communication

塔機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立監(jiān)測(cè)的各數(shù)據(jù)信號(hào)是一路代表重量的模擬信號(hào)和其他幾路脈沖信號(hào)。模擬量主要涉及到A/D轉(zhuǎn)換，而其他脈沖信號(hào)的監(jiān)測(cè)主要通過(guò)計(jì)數(shù)和定時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，該模塊包括重量數(shù)據(jù)輸入模塊、脈沖量輸入模塊。

重量測(cè)量由拉力傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)由前向通道進(jìn)行調(diào)理后得到一個(gè)0～1．25 V的模擬信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成00—FF的數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，其中A/D轉(zhuǎn)換器采用掃描方式進(jìn)行采樣。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求確定采樣周期為T=0．1 s。同時(shí)由于塔機(jī)工作環(huán)境惡劣，干擾源較多，為了減少對(duì)采樣值的干擾，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前先對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，在本系統(tǒng)中采用了去極值平均濾波法。幅度、高度、風(fēng)速的測(cè)量可以通過(guò)由旋轉(zhuǎn)編碼器的雙路脈沖量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

表1 數(shù)據(jù)上傳情況Tab 1 Situation of upload data

測(cè)試結(jié)果如表2所示，測(cè)試結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的上傳，以及數(shù)據(jù)中心的管理，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠［7］。

表2 測(cè)試結(jié)果Tab 2 Test results

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的塔機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示存儲(chǔ)塔機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的重量、高度、幅度、風(fēng)速及負(fù)載力矩，過(guò)載時(shí)通過(guò)顯示、聲音等多種手段報(bào)警，并通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸方式自動(dòng)上傳各個(gè)參數(shù)狀態(tài)到數(shù)據(jù)中心，監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。該裝置已通過(guò)了國(guó)家特種設(shè)備安全型式試驗(yàn)，并已投入到長(zhǎng)沙海川自動(dòng)化設(shè)備有限公司運(yùn)行使用，效果良好。

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