基于CAN總線和DSP的起重機多功能安全監(jiān)控系統(tǒng)

　　數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)使數(shù)字信號處理領域發(fā)了了革命性的變化。它采用了哈佛總線結構,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,便迅猛發(fā)展,得到了極為廣泛的應用。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)總體結構簡圖

　　本系統(tǒng)基本組成如圖1所示。系統(tǒng)由一個主節(jié)點（中央處理單元）、一個智能節(jié)點和8個最小系統(tǒng)節(jié)點組成。最小系統(tǒng)節(jié)點包括拉力傳感器節(jié)點1（副鉤）、角度傳感器節(jié)點2（副臂）、拉力傳感器節(jié)點3（主鉤）、角度傳感器節(jié)點4（主臂）、風力傳感器節(jié)點5、防碰撞傳感器節(jié)點6、高度傳感器節(jié)點7（主鉤）、高度傳感器節(jié)點8（副鉤）等,各節(jié)點分別負責采集不同的牧師信號,并進行A/D轉換（個別節(jié)點則不用進行A/D轉換,如高度節(jié)點的增量式光電編碼盤可直接得到數(shù)字信號）,然后通過現(xiàn)場總線與主節(jié)點通信。各模塊之間的最大總線長度不超過130米,位速率定為500kbps,總線定時為：BTR0,01H;BTR1,1CH。

1.1 主節(jié)點（中央處理單元）

　　系統(tǒng)主節(jié)點結構原理圖如圖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,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)相乘并將結果累加到一個40位的和中。由于程序循環(huán)在硬件內完成,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D15～D8連接。ADSP2105的“D22”線提供PSD311的“A14”地址線,/BMS（Boot Memory Select）充當EPROM的片選并與PSD311的“A19”輸入相連接。

　　選用SJA1000作為CAN控制器,驅動器使用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80C522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。80C52利用自帶的ADC將下車傳感器采集的各種模擬/數(shù)字信號轉換成數(shù)字信號（只對模擬信號）,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)能夠實時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%的預報警,超過100%時報警,并強制停止控制。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)起得機的具體情況動態(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。