塔吊黑匣子软硬件设计方案.docx

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塔吊黑匣子软硬件设计方案

塔吊黑匣子的软、硬件设计方案

1引言

塔机安全监控管理系统，是国务院和建设部为了塔机安全生管理进行开发及实用的一个工具，2010年中【国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知】中有重要的批示。

塔吊安全管理系统是用于多塔吊交叉作业的现代建筑工地，对塔吊之间各种碰撞危险进行预警，以及对塔吊的非法侵入保护区域进行预警的多功能电子系统。

第三代塔机碰撞防护系统基于电子传感、计算技术，不依赖人工观察，能够在塔机接近危险位置时白动发出提示或控制信号，辅助操作人员合理操作避免安全事故，能够有效避免解决塔机碰撞事故，并可提高施工现场的工作效率。

对于塔机防互撞、塔机与障碍物防碰撞、敏感区域保护、边界限制等都可以有效处理，在不牺牲工作效率的前提下尽可能保证塔机安全，其安全性、准确性与易用性远局于上代产品。

随着微电子技术、计算机技术、智能仪表技术及传感器技术的迅速发展.现今起重机用户已越来越不满足于起重机仅仅拥有载荷、力

矩限制功能，希望获得更多关于起重机状态的准确信息，以降低操作

和维护的劳动负担并保证起重机的安全。

从目前国内生产状况来看.塔机的智能化方面还处于起步阶段。

其研制的“黑匣子”产品大都采用8位或16位单片机的系统。

对内存的管理能力及存储设备的容量都十分有限。

功能大多较单一；大都普遍缺乏强有力的数据分析软件的配合，庞大的数据显示起来很不直观，难以对数据进行具体分析。

本系统以32位的ARM物处理器并以嵌入式实时操作系统来实现

对内存的管理和任务的调度，并有数据分析软件对所采集的数据进行具体的分析。

2系统硬件设计

2.1系统硬件设计

本设计采用了嵌入式系统软件和硬件平台的设计理念，采用了模

块化的设计思想。

功能配置、扩展方便。

图2.1给出了系统的硬件原理框图。

微处理器模块作为主模块与其它模块通过扁平电缆相连接；传感器模块与现场的传感器通过屏蔽电缆连接；继电器模块与电控箱

通过屏蔽电缆连接。

硬件平台的主处理器选用的是NXP]32位芯片。

它是基于ARM嵌入式微处理器的16/32位微控制器。

其处理核为高性能的32位RISC（精简指令集计算机）体系结构，内嵌了16通道1gADC

2通道13：

DAC24KE^内SRAM87个I/O口，16位色TFT1示驱动支持640*800像素的WVGA,ARMt理器资源丰富、处理能力强，具有很高的性价比。

数据存储器分为随机存储器和非易失存储器，其中非易失

存贮器采用FLASI#储器。

开关量输入输出均采用光电隔离。

通信接口设计了US18口和标准的RS23：

®信接口。

键盘采用3>3键盘完成对系统的设置。

640x800的LCD^成显示功能。

重敛等信号

有度.变幅

外部开关.

风速、角k

通信模块

供盘和鞭晶显示板模块

Zi前耕无蜩模块

•变帽

*O

♦盲翌

图2.1系统硬件原理框图

2.2传感器

2.2.1重力传感器

重量传感器选用专用销轴式压力传感器图2.2.1所示，销轴传感器实际上就是一根承受剪力作用的空心截面圆轴，双剪型电阻应变计粘贴在中心孔内凹槽中心的位置上，有两种组桥测量方式，即两个凹槽处的双剪型电阻应变计共同组成一个惠斯通电桥，或分别组成惠斯通电桥再并联进行测量，销轴式压力传感器特点：

♦优点：

1.弹性元件为一整体空心截面圆轴，结构紧凑，几何外形简单，容易加工出很高的尺寸和形位精度；|

2.空心截面具有很强的抗扭转、抗弯曲能力，并且轴销中性轴如的应力最大「

3.当空心截面轴销承受垂直和水平弯曲时，弯矩为零的截面在同一截面；

4.当设计较大容量的轴销传感器时，中心孔也较大，双剪型电阴应变计可以粘贴在孔内，即得到很好的保护又可以实施抽真空充惰性气体密封工艺；

5.与相关承力部件组装容易，使用方便。

♦缺点：

销轴传感器的缺点是生产工艺难度大，需要较多的专用工具与装备。

图2.2.1销轴式压力传感器

2.2.2幅度、高度传感器

黑匣子中测量幅度、高度的传感器采用变幅传感器如图2.2.2作为传感器。

图2.2.2变幅传感器

变幅传感器采用电子传感、传输原理，完全放弃以前的机械性误差太大的原因造成不便，在原有的基础上增添了传感器，使灵敏度提高，误差在0.1%配有方便接口，可和主机方便连接。

传感器参数：

最大起升高度：

999m幅度可达520m

2.2.3转角传感器

转角传感器如图2.2.3所示，采用编码器技术研制，精确测定塔吊工作转角。

传感器参数：

回转角度0-1080度，回转角度控制综合精度士1%

图2.2.3转角传感器

2.2.4风速传感器

采用螺旋桨风速传感器，螺旋桨风速传感器由螺旋桨叶片、传感器轴、传感器支架及磁感应线圈等组成。

它利用流动空气的动能来推动传感器的螺旋桨旋转，然后通过螺旋桨的转速求出流过末端装置的空气流速。

螺旋桨风速传感器可以分成平行轴式和垂直轴式两种形式。

体系中我们米用垂直轴式如图2.2.4所示。

图2.2.4风速传感器

螺旋桨风速传感器具有下列特点：

1）利用磁石环抗磁芯子，不用接触就能检测出螺旋桨转子的转

速，有良好的可靠性和耐久性，使用寿命长；

2）利用飞散效果使空气中的尘粒无法附着在叶轮上，使尘粒对

传感器部件的影响减至最小；

3）轴承采用性能良好的树脂制作，在制造阶段进行了特殊处理润滑油分散在轴承中，不需添加润滑油就可使用，使得轴承和叶轮长轴之间几乎没有磨损；

4）几乎不需维护和保养。

螺旋桨风速传感器的量程为1〜10m/s,全量程范围内测量精度

为此5%,最大误差为也.15m/s。

2.2.5传感器信号调理电路设计

传感器输出电压对应测量量程是0—20mA该电压要经过滤波、放大整形后给A/D,其精度为1%。

从传感器出来的差分信号经过一级放大电路提高差分电压，从而提高传输过程中的衰减比，提高抗干扰能力。

差分信号进入系统的信号调理电路。

此电路的主要功能是：

将双端出入调整调整为单端输出.并将信号调整为A/D转换器能够接受的电压范围，同时此电路有二阶有源带通滤波电路，可以将高频和低频的干扰滤去。

从而提高了系统的测量精度。

2.3Zigbee通讯模块

采用Zigbee无线传感网络组网如图2.3所示，实现塔吊实时相

互通信

7#8#

图2.3Zigbee无线通讯网络

2.4USB通信接口的设计

多功能塔式起重机黑匣子进行了USf»口的设计。

可以很方便地以文件的形式将黑匣子记录的事件和数据存储到优盘。

黑匣子采用了NXP]US匪控制器ISP1160AISP1160A是一款兼容USB2.0版规范的US的控器（HostController）。

有2个下行口，每个下行口都拥有

独立的过流检测输入引脚及电源开关控制输出引脚。

ISP1160A同时

也提供唤醒输入引脚及挂机状态输出引脚，使电源供电管理更加灵活。

ISP1160A适合使用于具有USB主机功能的嵌入式系统及便携式设备，它的出现使系统具有更高的灵活性。

嵌入ISP1160A的多功能塔式起重机黑匣子系统可以直接与具有USBt行口的设备连接。

3、系统软件设计

在软件平台的设计中。

采用嵌入式实时操作系统对系统的多任务进行调度和管理。

满足了其实时性和扩展性要求。

3.1任务及其调度

在软件设计时，针对多功能塔机黑匣子的实际情况，按照任务划分原

则。

把应用软件分成l1个用户任务和5个中断（ISR）。

5个ISR分别为:

上电复位、A/DkI/。

中断、串口和定时器中断。

uc/OS^n可以支持64个任务。

其中最多可以支持56个用户任务，其余8个是系统任务。

每个任务有唯一的优先级，根据任务重要性和实时性要求来分配优先级。

本设计使用的优先级是从5〜21。

l1个用户任务分别为：

模

拟量数据输入、开关量输入、脉冲量输入、数字量输出、模拟量输出、

事件记录、历史数据存储与转存、人机接口、US皈储、定时存储和

通信。

塔机倒塌信号实时性要求最高，该任务被设成优先级最高的任务即数字量输入任务；高度、幅度和回转角的测量都是使用脉冲计数传感器来实现，测量原理相似，故将脉冲的采集与处理用一个脉冲量输入任务来实现；力矩与重量和幅值有关。

将重量的采集和处理、力矩的计算归为模拟量输入任务实现；控制三个电机的正反转功能类似，用一个数字量输出任务实现；人机接口任务包括按键操作与显示；动作事件或事故发生时，事件记录任务负责记录相关参数。

并在必要时转存FLASH由历史数据转存任务实现。

3.2载荷消摆

载荷回转和变幅时系统白动完成其消摆控制，提高工作效率。

图3.1黑匣子消摆原理示意图。

载荷启动（例如变幅）会产生摆角如图3.1a所示，为了消除这一摆角只需启动后暂停小车的运动，当载荷越过图b位置摆到图c位置时。

再次启动小车则小车同载荷一起无摆角匀速运动载荷停止时的消摆策略与以上策略类似。

b

图3.1消摆原理示意图

4、结束语

本文介绍了以NXP]ARM9核心处理器的嵌入式硬件平台及操作系统的塔机黑匣子的软、硬件设计方案。

本设计将黑匣子、各类限制器、智能操作等功能集成于一身.具有实用性强、技术含量高、市场前景广阔等特点。

该成果的推广能够提高塔式起重机生产的安全性，将重大安全事故降低到最低限度，对生命和财产的安全起到保障作用极大地提高塔机的白动化水平，实现了科学化管理。