自動記錄式起重機力矩限制器的研制

 

    關鍵字：黑匣子，力矩限制器，串行通訊，上位機

 

    引言

 

    “黑匣子”是飛機專用的電子記錄設備之一，即航空飛行記錄器。它能夠把飛行相關技術數據和狀態信息等記錄下來，必要時取出來，供實驗、事故分析用。如今，“黑匣子”已經成功“著陸”，被更多的民用交通工具使用，比如汽車黑匣子、機車黑匣子、船舶黑匣子等。“黑匣子”技術在起重機上也大有作為。自動記錄式力矩限制器能夠自動記錄起重機非正常狀態和某些參數，在功能和結構上，都與傳統的“黑匣子”相似，亦可稱為起重機“黑匣子”，主要功能有：

 

    （1）分析故障：起重機調試和維護中，可以利用其記錄的故障數據，幫助分析調試時的狀態和維修重點。

 

    （2）超載記錄：自動記錄超載相應信息，便于車主或主管部門翻查分析。

 

    （3）狀態監視：“黑匣子”與安全警告裝置聯系緊密，發生故障或超載的時候，向操作人員報警。

 

    （4）修改參數：將起重機一些參數存儲到“黑匣子”里，通過通訊手段就可以方便的進行修改，使得力限器能夠適應不同的起重機的要求。

 

    1.硬件設計

 

    起重機“黑匣子”除具有傳統的事后事故分析功能外，還能在發生故障和超載的時候，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，比如采用鐵質外殼來屏蔽系統，使用防水隔潮橡膠圈等。

 

    1.1芯片的選擇

 

    片外存儲芯片選用AT28C64B，它具有8K尋址空間，軟硬件數據保護措施，寫入的同時自動擦除，寫入周期短（10ms），掉電數據不丟失，斷電后數據保存10年，功耗低，而且它不需要其他部件、能夠像普通的靜態RAM那樣進行讀寫操作。時鐘芯片選用DS1302串行實時時鐘，它可對秒、分、時、日、周、月以及帶閏年補償的年進行計數，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機通訊很方便。單片機采用WINBOD公司的W78E58，52系列單片機，32K片內EPROM，256字節片內RAM，64K片外尋址空間，1個全雙工串口。

 

    1.2工作原理

 

    系統框圖如圖一所示。單片機將采集到的傳感器信號代入計算程序進行分析處理，根據鍵盤掃描信號所決定的顯示對象，將處理后要顯示的數據傳輸過去。如果在工作中出現故障或超載，單片機會將當時的時間、相關起重數據和狀態等信息存放到AT28C64B的固定地址中，完成“黑匣子”的數據采集工作。需要向上位機（如筆記本電腦）傳輸故障區數據、超載數據以及更改起重機某些參數的時候，需要從AT28C64B中讀取出相應的數據，利用MAX232CPA按字節發送到上位機上，完成數據通訊工作。這些參數變量要代入力矩計算公式進行計算的，它們的改變將直接影響力限器的計算結果。力矩計算公式具有一定的代表性和適用性，實際上改變參數的值意味著滿足不同起重機對力限器的要求。

 

    1.3AT28C64的存儲方法

 

    “黑匣子”記錄的數據存儲到EEPROM需要統籌規劃，不僅考慮尋址方便，而且盡量壓縮空間的使用便于今后擴展，這三種記錄的數據按類型分片管理。

 

    起重機參數變量分成兩種：單字節數據，如工況，調零調滿值等；雙字節數據，如基本臂臂長，二節臂臂長等。故障分為10種，分別放在10個故障區，每區占用250個字節。超載區最多存放100條超載記錄，每條包括超載發生的相關時間信息、峰值、當時的工況、幅度等，根據這些參數就能知道超載發生時起重機的狀況，這是起重機“黑匣子”的主要功能。涉及到記錄浮點數的，一律將其轉變為整數進行存儲。上位機接收后，再把它們轉換回相應的浮點數進行處理和顯示。這樣不僅節省了空間，而且便于上位機處理。

 

    2.軟件設計

 

    2.1串行通訊原理簡介

 

    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則才能正常工作，該規則就是通信端口的初始化，包括設置數據傳輸速度、發送單位、起始位或停止位以及校驗碼。

 

    2.2串行通訊的步驟

 

    單片機上電自檢后，液晶屏上會出現“————”，表示當前處于串行通訊狀態。如果此時接收到握手信號，系統將處于串行通訊狀態并向上位機發送反饋信號，否則進入正常工作狀態。進入串行通訊狀態，單片機會按上位機發出的指令與其進行通訊。通訊流程圖見圖二所示。指令分為兩大類：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。正常通訊指令由三部分組成的：指令代碼（讀/寫）、操作對象地址、操作對象數量范圍，以此指導單片機尋址、操作。指令設定八位一個字節，作為最小的通訊單位，單片機一次最多發送256個字節（單片機本身所限）。指令代碼的設置應具有一定的安全性，穩定性，可靠性。

 

    3.上位機軟件

 

    3.1VB6.0串行通訊控件及其界面簡介

 

    起重機“黑匣子”如實地將起重機非正常狀態記錄下來以后，還需要在上位機上通過專用軟件再現出來才算完成完整的功能。系統利用VB6.0有效地完成我們完成串行通訊的任務。VB6.0自帶的MSComm控件提供了事件響應功能開發串行通訊工程，另外還可以利用定時器或是DO…Loop，以輪詢來達到自動化的目的。為了節省系統資源，上位機對串行數據的讀取采用事件觸發方式。接收緩沖區接收到數據便會觸發OnComm事件，根據CommEvent屬性值的當時值，建立一個事件驅動的通訊程序進行處理。

 

    上位機通訊軟件界面如圖三所示。該界面能夠完成多種功能。開始運行時，軟件按選擇的端口不斷發出握手信號，直到接收到單片機正確的反饋信號。這時便處于連通狀態，可進行多種操作：選擇故障區并讀取和保存、讀取超載區并保存、選擇讀或寫起重機參數變量、松手退出等。寫入參數時，會有提示框彈出防止誤操作，輸入數據超過指定范圍，軟件拒絕寫入。

 

    3.2上位機軟件內部處理

 

    上位機從單片機得到的是二進制代碼，但是顯示的對象有單、雙字節之分，這就要將其轉變成相應的10進制數據。單字節數據轉變為10進制數據相對簡單，調用VB6.0相應函數即可。雙字節數據需要兩個字節連在一起轉換，涉及到數據正負的問題：轉換后的數據最高位是1的話，VB6.0認為是符號位，自動將其變成負數。遇到這種情況，只要將最高位的1以0代替，將得出的10進制數加上32768就能解決。時間數據按單字節數據的轉換、顯示方法處理。

 

    5．結論

 

    隨著“黑匣子”技術的民用化的普及，起重機安裝“黑匣子”已是大勢所趨。文章基于單片機系統開發出一種適應范圍廣泛的起重機“黑匣子”,并已完成現場調試。實踐證明，起重機“黑匣子”具有反應靈敏、操作方便、性能穩定、成本低廉，深受客戶好評。

 

    參考文獻：

 

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

 

    [2]張培仁；基于C語言編程MCS-51單片機原理與應用；清華大學出版社；2003

 

    [3]劉欣；大屏幕液晶顯示在力矩限制器中的應用；現代電子技術；2004.10

 

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