基于ARM的某型履帶式多用工程車監(jiān)控系統(tǒng)的研究*

王云龍，王新晴，王鵬飛，李 鵬

(解放軍理工大學(xué)，江蘇南京 210007)

0 引言

某型履帶式多用工程車(以下簡稱“多用工程車”)主要用于保障坦克機(jī)械化部隊(duì)快速機(jī)動(dòng)時(shí)搶修道路，構(gòu)筑急造軍路，實(shí)施武器裝備牽引、拖救和自救作業(yè)等軍事工事。

多用工程車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多樣，是事故率較高的一種工程機(jī)械。因此，必須使用安全監(jiān)控裝置，以保證多用工程車設(shè)備運(yùn)行在安全的范圍內(nèi)。目前多用工程車監(jiān)控設(shè)備的缺陷主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:①起重作業(yè)操作繁忙，需要時(shí)刻觀察大量變化參數(shù)是否超標(biāo)，很大程度上加大了操作難度，降低了使用安全性和可靠性;②處理數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜的系統(tǒng)需要較高性能的CPU作支撐。

針對這種情況，筆者設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于ARM的智能起重狀態(tài)監(jiān)控裝置，系統(tǒng)首先將傳感器提供的起重參數(shù)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后利用ARM，結(jié)合本文設(shè)計(jì)的多用工程車載荷、力矩計(jì)算模型，得到相應(yīng)參數(shù)值，完成對多用工程車基本狀態(tài)的監(jiān)控。同時(shí)，系統(tǒng)包含有非正常運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)存儲隨時(shí)讀取以及設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

多用工程車功能強(qiáng)大，不僅具有起重功能，還具有推土、牽引等功能。針對起重過程易發(fā)生事故，采

式中:Gx為多用工程車起重載荷;φ表示起升沖擊系數(shù);kp表示起升載荷系數(shù);G0表示多用工程車自重;l2表示多用工程車寬;l表示多用工程車吊臂長度;θ表示多用工程車的起吊角度。其中，多用工程車的吊臂長度用長度傳感器測的，將多用工程車的起重載荷與數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的Gx進(jìn)行比較可以看出起重是否會(huì)發(fā)生傾覆，判斷起重是否安全。

為了具體分析多用工程車各個(gè)因素對其起重載荷的影響，取θ為60°時(shí)，可得多用工程車整機(jī)穩(wěn)定性所決定的起重性能曲線(工作幅度范圍為3．5～7．0 m)，如圖1所示。用力矩法建立的多用工程車的抗傾覆數(shù)學(xué)模型［1］為:

圖1 起重性能曲線

由計(jì)算數(shù)學(xué)模型和得出的起重性能曲線可以得出起重載荷、力矩等運(yùn)行數(shù)據(jù)，更直觀的看出起重的安全性，供操作員使用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

針對多用工程車在軍事工事構(gòu)建過程中所處環(huán)境復(fù)雜多樣，其起重監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有以下基本要求［2－4］:①系統(tǒng)計(jì)算模型應(yīng)當(dāng)具有普遍性，并且周期不宜太長。因此，不宜采用半理論、半經(jīng)驗(yàn)的建模方法;②系統(tǒng)計(jì)算模型計(jì)算精度要達(dá)到起重機(jī)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn);③系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)要符合現(xiàn)代智能化監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

在多用工程車運(yùn)行中，監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取起重吊臂抬升角度、吊臂長度等運(yùn)行參數(shù)，并通過計(jì)算相關(guān)模型，得到準(zhǔn)確的起重負(fù)載和力矩等數(shù)據(jù)。針對多用工程車各種運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)生危險(xiǎn)狀況時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能快速響應(yīng)，提供報(bào)警并控制多用工程車自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作，避免事故的發(fā)生。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能自動(dòng)分析多用工程車的運(yùn)行狀況，當(dāng)多用工程車非正常運(yùn)作時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能自動(dòng)將相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)存入存儲器，隨時(shí)供用戶分析使用。多用工程車遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備能夠?qū)Χ嘤霉こ誊囘M(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并實(shí)時(shí)獲取多用工程車所有相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

針對多用工程車的特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)的技術(shù)要求，本文選擇以ARM為中央處理器的起重智能監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)吊臂長度、角度由安裝在吊臂上的長度，角度傳感器來測量;多用工程車起重實(shí)際載荷的大小由裝在有桿腔及無桿腔上的油壓傳感器測量得到。傳感器測得的多用工程車的參數(shù)，以電流信號的形式輸入多用工程車智能監(jiān)控系統(tǒng)的模擬量輸入口，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路、信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路后得到的數(shù)字信號傳輸?shù)紸RM，ARM進(jìn)行計(jì)算處理。

(2)ARM對輸入的多用工程車信號進(jìn)行處理，并通過數(shù)學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算獲取多用工程車的負(fù)載和力矩等數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)多用工程車所有相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)情況以及傳感器獲取的起重物重量，對多用工程車起重是否超過限定值進(jìn)行分析。當(dāng)多用工程車起重超限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并通過開關(guān)量輸出電路發(fā)出制動(dòng)信號，預(yù)防事故的發(fā)生。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對多用工程車異常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以便日后的故障排查和維護(hù)。

(3)監(jiān)控裝置直接通過RS－232接口與GPRS通訊設(shè)備相連，GPRS設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)提供多用工程車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并接收外部控制命令，實(shí)現(xiàn)對多用工程車設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控［5］。

ARM自帶的LCD顯示屏及鍵盤模塊為操作人員提供了一個(gè)良好的人機(jī)接口，以實(shí)時(shí)顯示起重機(jī)的各運(yùn)行狀態(tài)，并提供了一個(gè)現(xiàn)場操作終端。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于ARM的多用工程車的監(jiān)控系統(tǒng)的硬件機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3．1 電源模塊

設(shè)計(jì)采用5 V、3．3 V、12 V三種電壓等級以保證整個(gè)電路系統(tǒng)正常運(yùn)作，系統(tǒng)使用+24 V車載蓄電池提供總能量，采用+24 V分別到+12 V、+5 V、+3．3 V的電壓轉(zhuǎn)換電路獲取所需要的電源電壓。

3．2 微處理器模塊

微處理器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。針對多用工程車的工作環(huán)境比較惡劣，系統(tǒng)可靠性要求很高這些情況，選擇了三星公司ARM1176JZF－S內(nèi)核的S3C6410A芯片。其主要原因［6］如下。

(1)S3C6410A在惡劣環(huán)境測試中運(yùn)行良好，滿足多用工程車工作環(huán)境惡劣的要求，同時(shí)也是快速、穩(wěn)定的工業(yè)級芯片，出廠前通過脈沖群以及浪涌干擾測試，保證了在惡劣施工環(huán)境中的工作穩(wěn)定性。

(2)S3C6410A芯片采用0．18 um制造工藝的32位RISC嵌入式微控制器，集成以下部件:256MB SDRAM外部儲存器，256MB NAND Flash閃存控制器，16KB的指令數(shù)據(jù) Cache和16KB的指令數(shù)據(jù)TCM，工作頻率最高可達(dá)667 MHz，具有雙 LCD接口、USB 2．0－OTG 接口、USB Host 1．1 接口、彈出式SD卡座等，能夠與常用的外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)無縫連接。

(3)S3C6410A具有優(yōu)化的外部存儲器接口。

(4)S3C6410具有高性價(jià)比，優(yōu)秀的可操作性以及豐富的軟件資源。

3．3 存儲模塊

多用工程車正常工作時(shí)，需實(shí)時(shí)采集其結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作狀態(tài)參數(shù)，發(fā)送至微處理器進(jìn)行存儲和處理。系統(tǒng)為保證其數(shù)據(jù)存儲和處理能力，外擴(kuò)了DDR SDRAM和NAND Flash存儲器，提升了系統(tǒng)運(yùn)行空間，具有集成度高，存儲容量大，存儲時(shí)間久得特點(diǎn)。

3．4 通信模塊

系統(tǒng)通信模塊主要包括RS232通信和GPRS通信。RS232主要用于串口調(diào)試及打印，GPRS通信主要用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3．5 人機(jī)接口模塊

為提高本設(shè)計(jì)智能化水平，完善系統(tǒng)性能，添加了人機(jī)交互模塊電路。主要包括LED指示燈、鍵盤輸入電路以及LCD顯示屏接口電路。操作員通過LED指示燈觀察系統(tǒng)狀態(tài)，也可用于軟件調(diào)試和其他指示功能。鍵盤用于向CPU發(fā)送執(zhí)行命令或進(jìn)行多用工程車參數(shù)設(shè)定。LCD顯示屏用來顯示操作界面和多用工程車運(yùn)行參數(shù)及工作狀態(tài)。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于ARM的多用工程車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要通過linux編程實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4所示。軟件流程為:

(1)系統(tǒng)開機(jī)后，先進(jìn)行初始化，后開始自動(dòng)檢測其硬件，如果發(fā)現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號并制動(dòng)，操作員通過提示維修設(shè)備或修改程序代碼后重新開機(jī)自檢;如果自檢沒有故障，則繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)步驟。

(2)當(dāng)自動(dòng)檢測沒有發(fā)現(xiàn)故障，系統(tǒng)進(jìn)入鍵盤掃描階段。操作員通過鍵盤向CPU發(fā)出命令，并設(shè)定系統(tǒng)工作的一系列的參數(shù)。當(dāng)CPU檢測到按鍵中斷信號時(shí)，系統(tǒng)將操作員設(shè)置的參數(shù)值存儲并發(fā)送至LCD顯示屏以便觀察。

(3)鍵盤掃描結(jié)束后，系統(tǒng)采集各開關(guān)量和傳感器信號，發(fā)送至微處理器，結(jié)合標(biāo)定的工作參數(shù)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算出當(dāng)前工況下力矩和起重載荷，將采集到的參數(shù)和計(jì)算結(jié)果顯示于LCD顯示屏。當(dāng)力矩和起重載荷超過限定值時(shí)，系統(tǒng)判斷超載，發(fā)出報(bào)警信號并輸出制動(dòng)信號;若沒有超載，則繼續(xù)返回掃描采集參數(shù)，進(jìn)行下一次計(jì)算和處理。整個(gè)過程采用循環(huán)執(zhí)行方式，實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。

圖4 軟件流程圖

5 結(jié)語

筆者研究開發(fā)的基于ARM的多用工程車起重狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了對多用工程車起重狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警制動(dòng)等基本功能，滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)，同時(shí)還具有良好的人機(jī)交互界面以及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。其數(shù)據(jù)存儲功能也為以后多用工程車的故障分析和排除提供了基礎(chǔ)，為多用工程車的日常維護(hù)和維修提供了依據(jù)。

［1］ GB/T3811－1984．起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［2］ 石 剛，井元偉，徐皚冬，等．工程機(jī)械智能化控制系統(tǒng)的研究［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(S3)．

［3］ Araya H，Kakuzen M，Kinugawa H，etal．Level luffing control system for crawler cranes［J］．Automation in Construction，2004(13):689－697．

［4］ Sugano N，Imanishi E，Yonezawa S．A Study on the Optimization of Efficiency and Operating Property of Hydraulic Systems［J］．Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers C，2002，68．

［5］ 許健華，戎蒙恬，諸鴻文．GPRS網(wǎng)絡(luò)信道分配方案研究［J］．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004，26(2):174－177．

［6］ 李文江，王紅飛，侯玉峰，等．基于S3C6410的嵌入式膠帶運(yùn)輸機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2010(12):74－76．