基于CAN總線(xiàn)和DSP的起重機多功能安全監控系統

　　數字信號處理器的出現使數字信號處理領(lǐng)域發(fā)了了革命性的變化。它采用了哈佛總線(xiàn)結構,數據總線(xiàn)和程序總線(xiàn)分離,可同時(shí)進(jìn)行指令的讀取和數據運算,指令基本上可以在一個(gè)機器周期內執行,片裝乘法器硬件,具有將乘法器和累加器以流水線(xiàn)方式連接的總線(xiàn),能高速進(jìn)行連續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(lǐng)域,自從問(wèn)世以來(lái),在短短不到20年的時(shí)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 系統總體結構簡(jiǎn)圖

　　本系統基本組成如圖1所示。系統由一個(gè)主節點(diǎn)（中央處理單元）、一個(gè)智能節點(diǎn)和8個(gè)最小系統節點(diǎn)組成。最小系統節點(diǎn)包括拉力傳感器節點(diǎn)1（副鉤）、角度傳感器節點(diǎn)2（副臂）、拉力傳感器節點(diǎn)3（主鉤）、角度傳感器節點(diǎn)4（主臂）、風(fēng)力傳感器節點(diǎn)5、防碰撞傳感器節點(diǎn)6、高度傳感器節點(diǎn)7（主鉤）、高度傳感器節點(diǎn)8（副鉤）等,各節點(diǎn)分別負責采集不同的牧師信號,并進(jìn)行A/D轉換（個(gè)別節點(diǎn)則不用進(jìn)行A/D轉換,如高度節點(diǎn)的增量式光電編碼盤(pán)可直接得到數字信號）,然后通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與主節點(diǎn)通信。各模塊之間的最大總線(xiàn)長(cháng)度不超過(guò)130米,位速率定為500kbps,總線(xiàn)定時(shí)為：BTR0,01H;BTR1,1CH。

1.1 主節點(diǎn)（中央處理單元）

　　系統主節點(diǎn)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(jià)格比、性能成熟的DSP器件,在一個(gè)100ns周期內,可以完成如下操作：取兩個(gè)操作數,修改指向操作數的地址單元,使兩個(gè)操作數相乘并將結果累加到一個(gè)40位的和中。由于程序循環(huán)在硬件內完成,所以每100ns能執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(shí)現本系統的外圍功能。ADSP2105在與PSD311等外圍器件聯(lián)絡(luò )方面提供了很大的時(shí)序靈活性。它可以為4個(gè)分開(kāi)的存儲器空間中的每一個(gè)單獨分配等待狀態(tài)數量,以適應很寬的時(shí)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(gè)等待狀態(tài),即200ns周期時(shí)間,以滿(mǎn)足PSD311 120ns器件的時(shí)序要求。由于總線(xiàn)的通路布在A(yíng)DSP2105的里面,PSD311的數據線(xiàn)與D15～D8連接。ADSP2105的“D22”線(xiàn)提供PSD311的“A14”地址線(xiàn),/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(dòng)器使用CAN控制器接口芯片PCA82C250。EEPROM用作數據RAM,用于保存設置輸入的關(guān)鍵數據,以防掉電時(shí)丟失。

1.2 智能節點(diǎn)

　　智能系統節點(diǎn)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(gè)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(chē)傳感器采集的各種模擬/數字信號轉換成數字信號（只對模擬信號）,經(jīng)CAN部件送至系統主節點(diǎn);并接收主節點(diǎn) 來(lái)的輸出信號,控制下車(chē)的各種繼電器和各種電磁閥。

1.3 最小系統節點(diǎn)

　　最小系統節點(diǎn)使用了ISO/DIS11898標準連接方法,

　　如圖4所示。P82C150是帶位速率自動(dòng)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(xiàn)的方向、數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(mǎn)足系統的精度要求。

2 系統功能和特性

　　系統能夠實(shí)時(shí)對各路傳感器信號進(jìn)行巡回采樣,經(jīng)過(guò)計算得出相應工況下的起重機實(shí)際工況參數,并與標準工作參數比較,當達到極限值的90%的預報警,超過(guò)100%時(shí)報警,并強制停止控制。這時(shí)起重機不能繼續向危險方向動(dòng)作,如趴桿、伸臂、起升等。系統還提供了友好的人機界面,用戶(hù)可以方便地完成特定的工作參數設置及調試、標定等輔助功能,根據顯示屏幕和語(yǔ)音提示實(shí)時(shí)了解相關(guān)的工況參數,以便及時(shí)作出相應的操作。

　　系統最大的特性是可以根據起得機的具體情況動(dòng)態(tài)地增刪節點(diǎn)（CAN監控模塊）。高性能的DSP和外圍器件PSD保證了系統的柔性、強壯性和可擴展性。

　　一體化起重機安全監控系統是未來(lái)起重機安全監控系統的發(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(fēng)速報警器等而成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品。