自動(dòng)記錄式起重機(jī)力矩限制器的研制

 

    關(guān)鍵字：黑匣子，力矩限制器，串行通訊，上位機(jī)

 

    引言

 

    “黑匣子”是飛機(jī)專(zhuān)用的電子記錄設(shè)備之一，即航空飛行記錄器。它能夠把飛行相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息等記錄下來(lái)，必要時(shí)取出來(lái)，供實(shí)驗(yàn)、事故分析用。如今，“黑匣子”已經(jīng)成功“著陸”，被更多的民用交通工具使用，比如汽車(chē)黑匣子、機(jī)車(chē)黑匣子、船舶黑匣子等。“黑匣子”技術(shù)在起重機(jī)上也大有作為。自動(dòng)記錄式力矩限制器能夠自動(dòng)記錄起重機(jī)非正常狀態(tài)和某些參數(shù)，在功能和結(jié)構(gòu)上，都與傳統(tǒng)的“黑匣子”相似，亦可稱(chēng)為起重機(jī)“黑匣子”，主要功能有：

 

    （1）分析故障：起重機(jī)調(diào)試和維護(hù)中，可以利用其記錄的故障數(shù)據(jù)，幫助分析調(diào)試時(shí)的狀態(tài)和維修重點(diǎn)。

 

    （2）超載記錄：自動(dòng)記錄超載相應(yīng)信息，便于車(chē)主或主管部門(mén)翻查分析。

 

    （3）狀態(tài)監(jiān)視：“黑匣子”與安全警告裝置聯(lián)系緊密，發(fā)生故障或超載的時(shí)候，向操作人員報(bào)警。

 

    （4）修改參數(shù)：將起重機(jī)一些參數(shù)存儲(chǔ)到“黑匣子”里，通過(guò)通訊手段就可以方便的進(jìn)行修改，使得力限器能夠適應(yīng)不同的起重機(jī)的要求。

 

    1.硬件設(shè)計(jì)

 

    起重機(jī)“黑匣子”除具有傳統(tǒng)的事后事故分析功能外，還能在發(fā)生故障和超載的時(shí)候，利用液晶字段顯示、指示燈和蜂鳴器等一些聲光手段提醒操作人員采取相應(yīng)的措施。此外還采用了一系列防潮、防水、防腐蝕、抗干擾、抗撞擊的技術(shù)，比如采用鐵質(zhì)外殼來(lái)屏蔽系統(tǒng)，使用防水隔潮橡膠圈等。

 

    1.1芯片的選擇

 

    片外存儲(chǔ)芯片選用AT28C64B，它具有8K尋址空間，軟硬件數(shù)據(jù)保護(hù)措施，寫(xiě)入的同時(shí)自動(dòng)擦除，寫(xiě)入周期短（10ms），掉電數(shù)據(jù)不丟失，斷電后數(shù)據(jù)保存10年，功耗低，而且它不需要其他部件、能夠像普通的靜態(tài)RAM那樣進(jìn)行讀寫(xiě)操作。時(shí)鐘芯片選用DS1302串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘，它可對(duì)秒、分、時(shí)、日、周、月以及帶閏年補(bǔ)償?shù)哪赀M(jìn)行計(jì)數(shù)，功耗低。串行通訊芯片選用MAXIM公司的MAX232CPA，其功耗低，波特率高，使用普遍，與PC機(jī)通訊很方便。單片機(jī)采用WINBOD公司的W78E58，52系列單片機(jī)，32K片內(nèi)EPROM，256字節(jié)片內(nèi)RAM，64K片外尋址空間，1個(gè)全雙工串口。

 

    1.2工作原理

 

    系統(tǒng)框圖如圖一所示。單片機(jī)將采集到的傳感器信號(hào)代入計(jì)算程序進(jìn)行分析處理，根據(jù)鍵盤(pán)掃描信號(hào)所決定的顯示對(duì)象，將處理后要顯示的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)去。如果在工作中出現(xiàn)故障或超載，單片機(jī)會(huì)將當(dāng)時(shí)的時(shí)間、相關(guān)起重?cái)?shù)據(jù)和狀態(tài)等信息存放到AT28C64B的固定地址中，完成“黑匣子”的數(shù)據(jù)采集工作。需要向上位機(jī)（如筆記本電腦）傳輸故障區(qū)數(shù)據(jù)、超載數(shù)據(jù)以及更改起重機(jī)某些參數(shù)的時(shí)候，需要從AT28C64B中讀取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，利用MAX232CPA按字節(jié)發(fā)送到上位機(jī)上，完成數(shù)據(jù)通訊工作。這些參數(shù)變量要代入力矩計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算的，它們的改變將直接影響力限器的計(jì)算結(jié)果。力矩計(jì)算公式具有一定的代表性和適用性，實(shí)際上改變參數(shù)的值意味著滿(mǎn)足不同起重機(jī)對(duì)力限器的要求。

 

    1.3AT28C64的存儲(chǔ)方法

 

    “黑匣子”記錄的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM需要統(tǒng)籌規(guī)劃，不僅考慮尋址方便，而且盡量壓縮空間的使用便于今后擴(kuò)展，這三種記錄的數(shù)據(jù)按類(lèi)型分片管理。

 

    起重機(jī)參數(shù)變量分成兩種：?jiǎn)巫止?jié)數(shù)據(jù)，如工況，調(diào)零調(diào)滿(mǎn)值等；雙字節(jié)數(shù)據(jù)，如基本臂臂長(zhǎng)，二節(jié)臂臂長(zhǎng)等。故障分為10種，分別放在10個(gè)故障區(qū)，每區(qū)占用250個(gè)字節(jié)。超載區(qū)最多存放100條超載記錄，每條包括超載發(fā)生的相關(guān)時(shí)間信息、峰值、當(dāng)時(shí)的工況、幅度等，根據(jù)這些參數(shù)就能知道超載發(fā)生時(shí)起重機(jī)的狀況，這是起重機(jī)“黑匣子”的主要功能。涉及到記錄浮點(diǎn)數(shù)的，一律將其轉(zhuǎn)變?yōu)檎麛?shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。上位機(jī)接收后，再把它們轉(zhuǎn)換回相應(yīng)的浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行處理和顯示。這樣不僅節(jié)省了空間，而且便于上位機(jī)處理。

 

    2.軟件設(shè)計(jì)

 

    2.1串行通訊原理簡(jiǎn)介

 

    串行通訊分為同步和異步兩種模式，異步使用較多。串行通訊雙方只有遵守一定的通信規(guī)則才能正常工作，該規(guī)則就是通信端口的初始化，包括設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸速度、發(fā)送單位、起始位或停止位以及校驗(yàn)碼。

 

    2.2串行通訊的步驟

 

    單片機(jī)上電自檢后，液晶屏上會(huì)出現(xiàn)“————”，表示當(dāng)前處于串行通訊狀態(tài)。如果此時(shí)接收到握手信號(hào)，系統(tǒng)將處于串行通訊狀態(tài)并向上位機(jī)發(fā)送反饋信號(hào)，否則進(jìn)入正常工作狀態(tài)。進(jìn)入串行通訊狀態(tài)，單片機(jī)會(huì)按上位機(jī)發(fā)出的指令與其進(jìn)行通訊。通訊流程圖見(jiàn)圖二所示。指令分為兩大類(lèi)：松手指令和正常通訊指令。松手指令雙方可以相互約定不易混淆的代碼充當(dāng)。正常通訊指令由三部分組成的：指令代碼（讀/寫(xiě)）、操作對(duì)象地址、操作對(duì)象數(shù)量范圍，以此指導(dǎo)單片機(jī)尋址、操作。指令設(shè)定八位一個(gè)字節(jié)，作為最小的通訊單位，單片機(jī)一次最多發(fā)送256個(gè)字節(jié)（單片機(jī)本身所限）。指令代碼的設(shè)置應(yīng)具有一定的安全性，穩(wěn)定性，可靠性。

 

    3.上位機(jī)軟件

 

    3.1VB6.0串行通訊控件及其界面簡(jiǎn)介

 

    起重機(jī)“黑匣子”如實(shí)地將起重機(jī)非正常狀態(tài)記錄下來(lái)以后，還需要在上位機(jī)上通過(guò)專(zhuān)用軟件再現(xiàn)出來(lái)才算完成完整的功能。系統(tǒng)利用VB6.0有效地完成我們完成串行通訊的任務(wù)。VB6.0自帶的MSComm控件提供了事件響應(yīng)功能開(kāi)發(fā)串行通訊工程，另外還可以利用定時(shí)器或是DO…Loop，以輪詢(xún)來(lái)達(dá)到自動(dòng)化的目的。為了節(jié)省系統(tǒng)資源，上位機(jī)對(duì)串行數(shù)據(jù)的讀取采用事件觸發(fā)方式。接收緩沖區(qū)接收到數(shù)據(jù)便會(huì)觸發(fā)OnComm事件，根據(jù)CommEvent屬性值的當(dāng)時(shí)值，建立一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的通訊程序進(jìn)行處理。

 

    上位機(jī)通訊軟件界面如圖三所示。該界面能夠完成多種功能。開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，軟件按選擇的端口不斷發(fā)出握手信號(hào)，直到接收到單片機(jī)正確的反饋信號(hào)。這時(shí)便處于連通狀態(tài)，可進(jìn)行多種操作：選擇故障區(qū)并讀取和保存、讀取超載區(qū)并保存、選擇讀或?qū)懫鹬貦C(jī)參數(shù)變量、松手退出等。寫(xiě)入?yún)?shù)時(shí)，會(huì)有提示框彈出防止誤操作，輸入數(shù)據(jù)超過(guò)指定范圍，軟件拒絕寫(xiě)入。

 

    3.2上位機(jī)軟件內(nèi)部處理

 

    上位機(jī)從單片機(jī)得到的是二進(jìn)制代碼，但是顯示的對(duì)象有單、雙字節(jié)之分，這就要將其轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的10進(jìn)制數(shù)據(jù)。單字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?0進(jìn)制數(shù)據(jù)相對(duì)簡(jiǎn)單，調(diào)用VB6.0相應(yīng)函數(shù)即可。雙字節(jié)數(shù)據(jù)需要兩個(gè)字節(jié)連在一起轉(zhuǎn)換，涉及到數(shù)據(jù)正負(fù)的問(wèn)題：轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)最高位是1的話(huà)，VB6.0認(rèn)為是符號(hào)位，自動(dòng)將其變成負(fù)數(shù)。遇到這種情況，只要將最高位的1以0代替，將得出的10進(jìn)制數(shù)加上32768就能解決。時(shí)間數(shù)據(jù)按單字節(jié)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、顯示方法處理。

 

    5．結(jié)論

 

    隨著“黑匣子”技術(shù)的民用化的普及，起重機(jī)安裝“黑匣子”已是大勢(shì)所趨。文章基于單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出一種適應(yīng)范圍廣泛的起重機(jī)“黑匣子”,并已完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。實(shí)踐證明，起重機(jī)“黑匣子”具有反應(yīng)靈敏、操作方便、性能穩(wěn)定、成本低廉，深受客戶(hù)好評(píng)。

 

    參考文獻(xiàn)：

 

    [1]范逸之，陳立元；VisualBasic與RS-232串行通訊控制；清華大學(xué)出版社；2002

 

    [2]張培仁；基于C語(yǔ)言編程MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用；清華大學(xué)出版社；2003

 

    [3]劉欣；大屏幕液晶顯示在力矩限制器中的應(yīng)用；現(xiàn)代電子技術(shù)；2004.10

 

    作者簡(jiǎn)介：劉欣，男，生于1956年，大連理工大學(xué)副教授，主要從事自動(dòng)控制及智能儀表方面的研究。(end)