顧雯雯 王 丹

南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210019

0 引言

起重機(jī)械在建筑運(yùn)輸領(lǐng)域起著重要的作用，主要用于在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運(yùn)重物。由于吊臂與起重機(jī)主枝處為支點(diǎn)連接，當(dāng)出現(xiàn)超載作業(yè)、基礎(chǔ)不穩(wěn)等情況下在支點(diǎn)上會產(chǎn)生較大力矩，故起重機(jī)傾覆事故時有發(fā)生，從而帶來嚴(yán)重的人員傷亡后果[1]。本文設(shè)計了一種基于嵌入式的高精度雙軸傾角傳感器智能監(jiān)控系統(tǒng)，以解決該問題。

該裝置在硬件設(shè)計方面以處理器STM32F103為核心，選取的高精度傾角傳感器SCA100T-D01最高精度可達(dá)0.001°，工作量程為±30°，操作溫度為－40℃～125℃[2]。考慮到起重機(jī)為室外作業(yè)機(jī)械，在對檢測數(shù)據(jù)處理時增加了溫度補(bǔ)償算法，從而可提高測量值的準(zhǔn)確性。在軟件設(shè)計方面主要為處理器移植實(shí)時操作系統(tǒng)FreeRTOS，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和管理系統(tǒng)各硬件資源，最終采用RS485通信模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與控制指令的傳輸，當(dāng)起重機(jī)吊臂傾斜角超過預(yù)設(shè)值時，裝置會及時報警并提醒操作人員，從而能有效預(yù)防起重機(jī)覆事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

系統(tǒng)主要由負(fù)責(zé)傾角檢測的傳感器模塊，負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的處理器模塊和數(shù)據(jù)通信傳輸模塊等組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

本裝置選用的傾角傳感器SCA100T-D01是SCA100T系列中基于3D-MEMS技術(shù)的傳感器，具有體積小、采集數(shù)據(jù)分辨率高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)傳輸方式上，該傳感器可通過自帶的SPI接口輸出采集的數(shù)字量，通過該方式可使后期的數(shù)據(jù)處理過程更為方便[2]。除此之外，該傳感器還可通過自帶的串口OUT_1、OUT_2與處理器進(jìn)行串口通信，將傳感器采集的模擬量進(jìn)行串口傳輸，本設(shè)計中，傳感器與處理器之間的硬件連接如圖2所示，考慮到起重機(jī)室外作業(yè)受溫度影響較大的特點(diǎn)，因此選用串口傳輸方式進(jìn)行傾角采集數(shù)據(jù)的輸出，該方式需要在處理器STM32F103處理器內(nèi)進(jìn)行 24 位的 A/ D 轉(zhuǎn)換，再利用芯片內(nèi)部集成的溫度傳感器，將測得的溫度值則通過 SPI 接口輸出數(shù)字量給處理器，因此可在數(shù)據(jù)處理時再進(jìn)行溫度補(bǔ)償計算，從而進(jìn)一步提高傾角測量的精確，最后將補(bǔ)償后的角度值通過 RS485 串行通信。

圖2 傳感器與處理器硬件連接圖

1.1 處理器模塊

本設(shè)計選用STM32F103 芯片是由ST公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3 架構(gòu)的具有高性能、高集成度、低功耗的微控制器產(chǎn)品，工作頻率最高可達(dá) 72 MHz、并具有 32 位的 CPU、512 k字節(jié)的 Flash 存儲器和 64 k 的SRAM，除此之外芯片還集成定時器Timer、CAN、ADC、SPI、I2C、USB和UART等多種外設(shè)功能[4]。本裝置會用到其高速、全雙工、同步的 SPI 協(xié)議，在SPI通信時傳感器作為主設(shè)備，通過片選CS端來使能從設(shè)備，利用MOSI、MISO 和 SCK 3 根線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳感器的溫度數(shù)據(jù)寄存器是 150 μs更新 1 次，因此處理器則必須至少每隔 150 μs向傳感器發(fā)送 1 次讀寫寄存器指令，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為 MSB(高位)在前LSB(低位)在后。

1.2 RS485串口通信

RS485協(xié)議采用平衡驅(qū)動器和差分接收器組合的形式，不僅數(shù)據(jù)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，而且其傳輸速率相對于RS232協(xié)議也更快，更符合起重機(jī)工業(yè)傾角檢測領(lǐng)域[3]。本設(shè)計在該協(xié)議硬件上選擇低功耗收發(fā)器MAX3483E模塊，該模塊設(shè)計簡單、穩(wěn)定性好、可實(shí)現(xiàn)最高為250 kB/ s 的無差錯數(shù)據(jù)傳輸，通過串口通信實(shí)現(xiàn)與處理器STM32F103的連接。

RS485 串行通信角度輸出選用16進(jìn)制代碼雙極性方式輸出，數(shù)據(jù)長度為7個字節(jié)，其中Byte1和Byte2為起始位，Byte3和Byte4 為X軸數(shù)值，Byte5和Byte 6為Y軸值，Byte3和Byte5 分別為輸出數(shù)據(jù)的高 8 位，Byte4和Byte6分別為輸出數(shù)據(jù)的高 8 位，Byte7為校驗(yàn)位，輸出命令格式如表1所示。

表1 傳輸數(shù)據(jù)輸出格式

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 角度測量 A/ D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式

在處理器內(nèi)部將采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為角度

式中：Vout為傳感器輸出的模擬量，V0°為傳感器在傾角為0°時輸出的電壓值（2.5 V），Sensitivity為傳感器的靈敏度（SCA100T-D01為4 v/g）。

當(dāng)傳感器的采集角度接近0°時，則可以采用簡化式進(jìn)行計算

式中：Sensitivity取70 mV/°。

2.2 SPI總線溫度值讀取方法

在用四線同步串口SPI讀取溫度數(shù)據(jù)時，處理器STM32F103作為主設(shè)備，負(fù)責(zé)提供時鐘，并通過片選端CSB來控制通信的通斷，而從設(shè)備SCA100T通過串行時鐘端口SCK來接收主設(shè)備提供的SPI時鐘，采集數(shù)據(jù)則是通過三線接口來傳輸，分別是串行數(shù)據(jù)輸入線MOSI、串行數(shù)據(jù)輸出線MISO和串行時鐘SCK。傳感器SCA100T的溫度數(shù)據(jù)寄存器為150 μs更新一次，因此處理器則必須至少每隔150 μs發(fā)送一次讀寫寄存器指令，具體流程為：在STM32F103寄存器內(nèi)設(shè)置其最大SPI時鐘頻率為500 kHz，CSB為低時開始傳送數(shù)據(jù)，變高時結(jié)束傳輸，傳輸指令或數(shù)據(jù)時，MSB(高位)首先發(fā)送，LSB(低位)在后發(fā)送，每個輸出數(shù)據(jù)通過MISO線在SCK下降沿被改變，每一Bit采樣是通過MOSI線在SCK的上升沿開始。從CSB下降沿開始，被選中的設(shè)備開始進(jìn)行8-bit的指令傳輸。通過CSB 的上升沿結(jié)束所有的數(shù)據(jù)傳輸并且重新設(shè)定內(nèi)部的計數(shù)器和指令寄存器[5]。如果一個無效的命令被收到，MISO將呈現(xiàn)高阻態(tài)并且鎖定芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)，直到CSB呈現(xiàn)下降沿，系統(tǒng)再重新初始化串行通信，系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程圖

處理器讀取的是一個8比特的數(shù)據(jù)(0-255)，采集數(shù)據(jù)通過式來進(jìn)行轉(zhuǎn)換

式中：Counts為讀取的溫度數(shù)據(jù)，T為采集的溫度。

2.3 對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償

為得到更高精度的傾角值，當(dāng)處理器接收到傳感器傳輸來的溫度值時，可以通過對offset和sensitivity值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償后的值分別用OFFSETcom和SENScomp來表示，其溫度補(bǔ)償公式為

式中：T為傳感器測得溫度，offcorr為平均角度溫度曲線結(jié)果。

式中：offset為未經(jīng)過校正的實(shí)際度數(shù)，OFFSETcom為經(jīng)過校正后的度數(shù)。

式中：Scorr為平均靈敏度曲線結(jié)果，SENS為沒有校正前的靈敏度(4/g)，SENScomp為經(jīng)過校正的靈敏度。

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的精確度，可以利用正弦規(guī)測量儀來進(jìn)行驗(yàn)證，正弦規(guī)依據(jù)三角函數(shù)中正弦定律而設(shè)計的，一般用于測量小于45°的角度，在測量小于30°的角度時，精確度可達(dá)3″～5″。結(jié)構(gòu)由一鋼制且兩側(cè)帶擋板的長方體和固定在長方體兩端的2個直徑相同的圓柱體組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 正弦規(guī)工作示意圖

具體驗(yàn)證方法為：先將正弦規(guī)放在精密平臺上，然后再將該裝置的定位面平靠在測量擋板上，在圓柱體下端放置量塊，已知量塊高度H和2圓柱體的軸心線距離L，再利用正弦公式即可求出正弦角，通過選用不同高度的量塊即可驗(yàn)證系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

因起重機(jī)吊臂傾斜角度不易檢測，經(jīng)常依靠操作人員目測感覺的方法來進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確性不高且容易發(fā)生傾覆事故，本文設(shè)計的起重機(jī)傾角檢測裝置，解決這一問題。隨著傾角傳感器和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，將二者結(jié)合設(shè)計出一款適用于工業(yè)實(shí)際檢測要求的起重機(jī)傾角檢測系統(tǒng)，以達(dá)到高精度且實(shí)用性高的設(shè)計目的。首先利用高精度雙軸傾角傳感器檢測吊臂的傾角，將采集的模擬量通過串口傳輸?shù)教幚砥鱏TM32F103，再利用傳感器自帶的溫度采集芯片，將采集的數(shù)字量通過SPI總線與處理器通信，同時利用采集的溫度值對測量傾角進(jìn)行溫度補(bǔ)償，結(jié)合RS485通信技術(shù)再將處理后的傾角值傳輸至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測。最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)該系統(tǒng)測量結(jié)果與參考數(shù)據(jù)吻合較好，符合實(shí)驗(yàn)精度要求，具有較好的應(yīng)用前景。