基于CAN总线和DSP的起重机多功能安全监控系统

　　摘要：介绍了一种基于数字信号处理器ADSP2105和现场总线技术的起重机多功能安全监控系统。该系统由系统节点、智能节点和主节点等模块组成。各模块之间的通信利用控制器局域风（CAN）完成。该系统具有人机界面友好、保护功能完善、可靠性高等特点,并具有一定的自诊断功能。

　　关键词：安全监控 数字信号处理器ADSP2105 控制器局域网（CAN）

　　起重机是工程建设中的必要设备之一,在施工中应用相当广泛。然而,起重机潜在的危险因素也较多,容易发生恶性事故。国家技术监督局先后专门制定和发布了《起重机设计规范》（GB3811-83）、《起重机械超载保护装置安全技术规范》（GB12602-90）、《起重机安全规程》（GB6067-85）等标准,要求各类起重机械必须装备安全保护装置。因此开发新型的起重机多功能安全监控和保护系统是很有必要的。基于此,近年来国内外先后研制出一些起重机安全保护装置,如载荷限制器、力矩限制器、起升高度仪、防碰撞装置、风速报警器等。但它们功能单一,如果需要多种保护功能,必须安装多台仪器,这样不仅价格昂贵,也给维护和使用带来了不便。起重机用户迫切需要一种集多种功能于一体的多功能安全监控系统,并希望起重机具有较强的自动控制功能主自诊断能力,以降低操作和维护的劳动强度并保证起重机的安全。

　　起重机用户关心的涉及到安全方面的工况参数主要有：主钩与副钩的起重载荷和起升高度、主臂与副臂（塔臂）的起重力矩和起升角度、工作幅度、钢丝绳状况、风速（力）大小、起重过程中载荷振动情况以及下阵的各种信息（如变幅油缸压力、液压传动系统的压力、温度、发动机转速参数、油温）等。如何对这些工况参数进行巡回采集、算法处理,并实时输出控制和提示是本系统设计的关键所在。

　　近年来,现场总线技术、数字信号处理技术的不断发展和渐趋成熟以及各种新型大规模集成器件的出现,为本系统的实现奠定了技术和物质基础。

　　现场总线（Field Bus）标准及其技术是国际自动控制领域关注的热点,对于工业控制领域,采用现场总线的优点是可大量节约连接导线。维护费用和安装费用,同时,现场总线能够传送多个过程变量。控制器局域网（Controller Area Network）属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制（Distributed Controller）或实时控制（Real-time Controller）的串行通信网络,是德国Bosch公司于1980年初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,是一种通信速率可达1Mbps的多主总线（Multiple Master Multiple Slave,即M3S）。CAN总线通信接口集成了CAN协议物理层和数据链路层功能,可对通信数据完成成帧处理。它通过对通信数据块进行编码,保证了网络内节点个数的动态性,并使不同的节点同时接收到相同的数据。数据段长度多为8个字节,保证了通信的实时性;而协议利用CRC检验提供相应的错误处理功能,则保证了数据通信的可靠性。本系统利用CAN总线的以上特性,解决了众多模块（节点）之间的通信问题。

　　数字信号处理器的出现使数字信号处理领域发了了革命性的变化。它采用了哈佛总线结构,数据总线和程序总线分离,可同时进行指令的读取和数据运算,指令基本上可以在一个机器周期内执行,片装乘法器硬件,具有将乘法器和累加器以流水线方式连接的总线,能高速进行连续的乘法运算和累加运算。因而其运算能力极强,适合于大量高速信号的处理领域,自从问世以来,在短短不到20年的时间内,便迅猛发展,得到了极为广泛的应用。以Texas Instruments公司的TMS系列为例,到目前已发展到第五代。

1 系统总体结构简图

　　本系统基本组成如图1所示。系统由一个主节点（中央处理单元）、一个智能节点和8个系统节点组成。系统节点包括拉力传感器节点1（副钩）、角度传感器节点2（副臂）、拉力传感器节点3（主钩）、角度传感器节点4（主臂）、风力传感器节点5、防碰撞传感器节点6、高度传感器节点7（主钩）、高度传感器节点8（副钩）等,各节点分别负责采集不同的牧师信号,并进行A/D转换（个别节点则不用进行A/D转换,如高度节点的增量式光电编码盘可直接得到数字信号）,然后通过现场总线与主节点通信。各模块之间的总线长度不超过130米,位速率定为500kbps,总线定时为：BTR0,01H;BTR1,1CH。

1.1 主节点（中央处理单元）

　　系统主节点结构原理图如图2所示。中央处理器采用美国模拟器件公司生产的ADSP2105。它是一种高性能价格比、性能成熟的DSP器件,在一个100ns周期内,可以完成如下操作：取两个操作数,修改指向操作数的地址单元,使两个操作数相乘并将结果累加到一个40位的和中。由于程序循环在硬件内完成,所以每100ns能执行这些指令的操作。WSI的PSD311可编程外围器件有效地将可编程逻辑、I/O端口和存储器集成在一块芯片上,可以实现本系统的外围功能。ADSP2105在与PSD311等外围器件联络方面提供了很大的时序灵活性。它可以为4个分开的存储器空间中的每一个单独分配等待状态数量,以适应很宽的时序差别。我们在ADSP2105的“等待寄存器”为EPROM、RAM和外部存储器的选通脉冲安排1个等待状态,即200ns周期时间,以满足PSD311 120ns器件的时序要求。由于总线的通路布在ADSP2105的里面,PSD311的数据线与D15～D8连接。ADSP2105的“D22”线提供PSD311的“A14”地址线,/BMS（Boot Memory Select）充当EPROM的片选并与PSD311的“A19”输入相连接。

　　选用SJA1000作为CAN控制器,驱动器使用CAN控制器接口芯片PCA82C250。EEPROM用作数据RAM,用于保存设置输入的关键数据,以防掉电时丢失。

1.2 智能节点

　　智能系统节点原理示意图如图3所示。Philips公司的80C592芯片是8位高性能微控制器,是现有80C522和CAN控制器PCA82C200的功能组合,并具有8路模拟量输入通道的10位A/D转换器和两级优先权的15个中断源。PSD311用作其外围ROM、RAM和译码芯片。80C52利用自带的ADC将下车传感器采集的各种模拟/数字信号转换成数字信号（只对模拟信号）,经CAN部件送至系统主节点;并接收主节点 来的输出信号,控制下车的各种继电器和各种电磁阀。

1.3 系统节点

　　系统节点使用了ISO/DIS11898标准连接方法,如图4所示。P82C150是带位速率自动检测和校正的包括CAN协议控制器的单片16位I/O器件。它的16条I/O口线的方向、数字与模拟方式均可编程选择。自带的包含6路模拟输入通道的10位A/D转换器具有0.1%的,完全可以满足系统的要求。

2 系统功能和特性

　　系统能够实时对各路传感器信号进行巡回采样,经过计算得出相应工况下的起重机实际工况参数,并与标准工作参数比较,当达到极限值的90%的预报警,超过100%时报警,并强制停止控制。这时起重机不能继续向危险方向动作,如趴杆、伸臂、起升等。系统还提供了友好的人机界面,用户可以方便地完成特定的工作参数设置及调试、标定等辅助功能,根据显示屏幕和语音提示实时了解相关的工况参数,以便及时作出相应的操作。

　　系统的特性是可以根据起得机的具体情况动态地增删节点（CAN监控模块）。高性能的DSP和外围器件PSD保证了系统的柔性、强壮性和可扩展性。

　　一体化起重机安全监控系统是未来起重机安全监控系统的发展趋势,它将逐步取代单一功能的安全保护装置,如载荷限制器、力矩限制器、起升高度仪、防碰撞装置、风速报警器等而成为市场主流产品。

  

参考文献:

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[9]. PCA82C200 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCA82C200_542554.html.
[10]. 80C52 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/80C52_103455.html.
[11]. P82C150 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/P82C150_537937.html.