摘要：塔式起重机在各种工程建设中得到了广泛的使用，但重大事故却频频发生，塔机安全监控系统是一套基于现场总线的塔机安全监控系统，通过CAN通信来实现各个数据采集模块和塔机安全监控仪之间的通信。通过运用嵌入式技术来实现对塔机的控制和保护。选用基于ARM Cortex-M3内核的芯片STM32F107VCT6作为控制系统的控制器，需要采集的塔机运行参数有：起重量、起重高度、工作幅度、旋转角度和现场风速。

关键词：现场总线技术；CAN总线技术；ARM Cortex-3；STM32F107VCT6；嵌入式技术

中图分类号：TP338 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）23-0038-05

Abstract：The tower crane has been widely used in all kinds of engineering construction， however， major accidents occur frequently. The tower crane safety monitoring system is based on field bus， through the CAN communication to realize the communication between the various data acquisition module and tower crane safety monitoring and control system. This topic selected as controller of the control system based on arm Cortex-M3 chip stm32f107vct， need to collect crane operation parameters have： weight， height， work rate， rotation angle and wind speed.

Key words：Field bus Technology； CAN bus Technology； Cortex-3 ARM； STM32F107VCT6； Embedded Technology

1 引言

塔机安全监控系统可靠，功能强大，实时性能优越，成本低，可以有效防止重大事故的发生，减少事故率，从而减少人员和经济的损失。实现塔机的安全生产，首先要对塔机结构进行分析，确定影响安全性能的参数，初步确定该系统需要采集的参数。塔机是在三维空间内进行作业的，其功能的实现由几个基本的机构共同协作完成。塔机的基本结构如图1所示。

主要结构介绍：1、2固定装置；3附着装置；4顶升机构；5、6支座；7回转机构；9操作室；10变幅机构；11小车；12吊钩；13起重臂；14/16拉杆；17平衡臂；19起升机构；21塔身。

2 塔机运行参数采集传感器的选定

总结塔机运行作业主要包括起重臂的旋转运行、提升重物运行和小车的变幅运行三部分。分别完成起重臂在360度平面的回转运动，吊钩在垂直方向上起吊重物的运行和小车在起重臂水平方向上的直线运动。可见塔机的参数主要有：起重物质量、起吊的高度、小车变幅、回转角度。因此，塔机安全监控系统必须能够实时的采集起重量，起吊重物的高度，小车的工作幅度，和塔机的旋转角度。此外，塔机作业环境中的风速采集也至关重要。系统需要通过合适的传感器对这些数据进行采集，并通过CAN总线将这些数据传送到塔机控制室的控制器上，经过处理在显示器上显示，与设定好的参数进行比对，一旦超过限定值，进行报警和断电处理。如图2是塔机数据采集传感器的安装位置。

3 系统的硬件设计

3.1监控系统的整体结构设计

塔机安全监控系统，对系统的实时性和可靠性提出了较高的要求，要保证这一要求，除了性能优越外，最重要的是取决于系统的“心脏”。中心处理单元除了要收集各个数据采集模块的数据之外，还要实时的对这些数据进行分析处理，同时还要传送到相应模块进行存储和控制继电器的输出来实现对电机的断电控制，以此来完成塔机运行状态的检测和控制。因此选用芯片STM32F107VCT6作为系统的控制器塔机安全监控系统主要由基础模块通信协议模块CAN总线模块、进行数据采集的数据采集模块、控制电机开关的继电器模块和负责显示存储数据的塔机监控仪构成。系统的结构图如图3所示。

3.2 CAN总线的拓扑电路设计

监控系统中运用到了CAN总线，因此，需要选择一种符合系统要求的拓扑结构。而在网络拓扑中，总线型拓扑采用单一信道作为传输介质，因此，布线相对容易，所需电缆相对较少，此外，增加和减少节点很容易。正是由于这些特点，该系统选用总线型拓扑，具体电路如图4所示。

网络的终端各有一个120欧姆的电阻，来增强CANBUS通信的可靠性，另外在长距离通信中，终端电阻的阻值有时需要增大，才能保证通信的正常。

3.3 CAN通信电路的设计

CAN总线节点至少包括三个部分：负责节点任务控制的控制器、CAN 总线控制器以及CAN总线收发器。但本课题选用的芯片STM32F107VCT6内部已经集成了CAN总线控制器，因此CAN总线的节点有微控制器和CAN总线收发器组成 。因此，基于以STM32F107为核心的CAN通讯电路原理如图5所示。

3.4 数据采集模块电路的设计

3.4.1 模拟信号采集电路设计

塔机运行参数的采集中，塔机的起重量是模拟量的信号。这一信号采集的传感器将非电物理信号转换成4～20mA的电流，因为MCU能识别的是0～3.3V电压，所以将它流入150欧姆电阻转换为0.6～3.0V电压。通过ARM中自带A/D转换器，进行A/D转换。电路原理如图6所示：

3.4.2 数字信号采集电路设计

塔机运行参数的采集中，塔机起吊高度、小车的工作幅度和回转角度以及现场的风速是数字信号。这些数据不需要转换而可以直接使用。其设计原理如图7所示。

3.5 数据采集模块电路的设计

塔机安全监控系统中，各数据检测模块将检测到的数据与接收自CAN总线的安全限定值进行比较，当检测到的参数超过限定值时，检测到超限的数据检测模块将相应控制指令通过CAN控制器发送到CAN总线上，继电器控制模块通过接收来自CAN总线的指令来实现断电等相关操作。其中继电器的停机模块具体电路如图8所示：

3.6 塔机监控仪电路设计

塔机监控仪具有数据的显示、存储、设置功能和报警功能。其原理结构如图9所示。

3.6.1 液晶显示电路

本课题需要将采集到的起重物质量、起重高度、回转角度、工作幅度以及现场风速等参数在塔机驾驶室进行显示。这里本课题选用OCMJ4X8B-2液晶显示器。用户对于显示器显示功能的实现要通过调用指令来完成。本课题选用的显示器可以显示汉字和字符。包括汉字、8X8 ASCII字符、8X16ASCII字符，可以显示位点阵和字节点阵图形。屏幕控制命令有清屏、上下左右移动、反白和光标显示以及移动速度的调整。OCMJ4X8B-2选用并行模式写入指令和数据。因此接74HC164串入并出寄存器实现数据的并行写入。根据引脚说明，将引脚分别连接需要的部件。其中可以通过调节17、18引脚所连的滑动变阻器调节显示器的亮度。液晶显示器的硬件电路如图10所示：

3.6.2 SD卡存储电路

市面上流行的SD卡的两种总线方式是：SD方式与SPI方式。前者是通过六条线来进行通信的，这六条线分别为一条时钟线CLK、一条使能线CMD和四条数据线DAT0～DAT3。而后者的通信过程只需要四条线，分别是CS、CLK、DI、DO这四条线。SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。SPI，支持全双工通信，他的通信速度高，而且是以同步通信的方式进行。上面提到两种方式的特点时，说到SPI只需要四根线来进行通信，这就会减少芯片管脚的使用，这样，PCB的布局肯定也就会更加简洁。此外本课题所选芯片中集成了SPI这种通信协议，因此根据以上这些优点，选用这种SPI的通信方式对SD卡进行读写。

SD卡引脚功能如下表2所示：

3.6.3 参数设置电路

塔机型号和工作环境的差异，使得塔机的安全限定值也不是固定不变的。因此，安全监控系统，必须具有参数设置的功能，可以修改输入所需要的限定值。增加该系统的适用性。根据实际操作需要，参数设置电路需要8个按键。这8个键分别对应加一功能、减一功能、上下移动功能，左右翻功能、确定和取消功能。根据其功能需要，电路设计图如下图12所示：

键盘电路中选用74HC165来实现数据的并行输入串行输出功能。74HC165是一个移位寄存器，其功能是将并行的8位输入转成串行输出。 当PL输入的电平为低电平即PL=0时，从D0到D7口输入的8位数据，会被用异步的方式读取到寄存器中。当PL输入的电平为高电平即PL=1时，数据在时钟的控制下，从DS数据输入端串行进入寄存器中，时钟的作用方式为：时钟脉冲每来一个上升沿数据就右移一位。

3.7电源电路设计

上面提到的各数据采集模块，继电器模块，塔机监控仪都需要稳定的、抗干扰能力强的电源模块来供电，需要5V和3.3V的稳定电压。而塔机系统提供的电压为24V，且其自身电源供电不够稳定，电磁干扰也较强。因此，本课题中的电源模块通过开关稳压电源LM2575和SPX1117来实现稳压功能、减少电源纹波系数，根据用电需求，来提供5.0V和3.3V的电压。电源供电电路如图13和图14所示：

4 系统的软件设计

4.1 应用层通信协议的定义

要进行CAN通信，首先要制定应用层通信协议。只有有了规范的协议，总线中各节点才能接收到各自所需要的数据。而iCAN协议是现场总线CAN bus的最新应用层协议之一，具有理解简单、易于实现、实时可靠的特点。因此，选用iCAN协议做为CAN的应用层通信协议。CAN通信协议中，消息都是以固定的格式即报文进行发送的。iCAN给出的通信报文包括帧标识符和帧数据两部分，iCAN采用的是扩展帧格式。

1）目的、源节点编号，节点编号为设备在网络上的唯一标识，分配为6位。节点地址范围（0x00～0x3f）。当目的节点为0xff时，表示发送的是广播帧，不需要应答。通信报文的标识符中指定了发送节点（源节点）和接收节点（目标节点）的编号。iCAN协议通过在iCAN报文中指定源节点地址（发送报文的节点地址）和目的节点地址（接收报文的节点地址）来确定iCAN报文的发送方和接收方。在每次的通讯过程中，通信双方都必须检查发送节点和接收节点的值是否与已知连接的两端点是否相同，这是保证节点接收所需要数据的关键。本课题中定义节点地址如下：塔机监控仪节点为0x00，风速节点为0x01，起吊重量节点为0x02，小车工作幅度节点为0x03，回转角度节点为0x04，起吊高度节点为0x05，继电器节点为0x06。整体29位的标识符越小，优先级越大。

2）ACK（响应标识位）分配1位。该位用于区分帧类型为命令帧还是响应帧，并说明是否需要应答帧。

3）FUNC ID（功能码）分配4位。用于指示报文所需要实现的功能，接收报文的节点根据报文中的功能码进行相应的处理。

4）资源节点地址标号，分配8位。用于指示所要操作的设备内部地址。根据报文中资源节点地址标号接收报文的节点对设备内部对应的单元进行操作。

5）帧数据部分，在iCAN协议中，帧的数据区，最多可以有8个字节数据。

4.2 CAN节点通讯程序的设计

为了实现数据的采集和处理以及完成塔机的控制，共需要设置7个CAN节点，这些CAN节点的主程序具有发送和接收数据的功能。其工作方式为中断方式。节点的通讯主程序根据其功能划分成初始化，数据的发送，数据的接收三个部分。CAN节点的通讯程序流程图如图15所示：

系统通电后首先进行复位，初始化外部设备，然后CAN控制器进行初始化，构造要发送的数据，将这些数据带入主循环程序中，判断是否要发送数据，如果要发送，则进入发送子程序，如果不发送，则继续判断是否接收数据，如果要接收则进入接受子程序，如果没有，则进行后续应用处理同时返回循环主程序，继续判断是否发送数据。

CAN控制器对于数据的发送，将数据发送到CAN总线上的过程是由CAN控制器自动完成的，发送子程序要做的 就是将要发送的信息帧送到CAN的发送缓冲区里，启动发送命令而已。同样的，接收数据时，数据从CAN总线上到CAN接收缓冲区的过程也是由CAN控制器自动完成的，接收程序的作用就是从缓冲区读取数据。

4.3 数据采集模块程序设计

数据采集模块程序流程如图16所示，以起重量采集为例，系统上电复位，CAN通讯初始化，传感器初始化，系统从CAN总线上接收起重量的安全限定值，然后通过传感器测得实时数据，经数据采样后，通过控制器芯片将采集到的数据与接受自CAN总线的起重量的安全限定值进行比对，经过一系列处理后，将处理完成的数据发送到CAN总线上，塔机监控仪从CAN总线上接收需要数据，进行显示和存储，同时，继电器模块也从CAN总线上接收需要的数据，进行相应的控制操作。

5 结论

本设计以防止大破坏的塔机事故发生为宗旨，以从根本上减少事故发生的机会从而降低人员和不必要的经济的损失为目的，以国内外对塔机安全监控系统的研究经验为基础，结合现场总线技术、嵌入式技术和传感器技术设计了基于现场总线的塔机安全监控系统。本文作者的创新点在于实现了实时地完成对塔机运行时的各项参数的采集，例如起重量、起重高度等，实时检测了塔机工作现场的风速，实时的将这些参数成功传送给了塔机监控仪，并实现了这些数据的实时显示；实现了塔机运行时超限的报警功能和超限后迅速的停机功能，系统将来自采集模块的数据与通过键盘输入初始参数进行比对分析运算，做出了相应的处理，当超出系统设定的限定值时，系统能够迅速进行报警和断电停机处理；在塔机监控仪上，实现了限定值的设置功能，能够根据不同类型的塔机，不同的工作环境，对限定值进行修改；实现了对各项数据的存储功能，这些数据可以作为分析事故和改进系统乃至塔机的参考。

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