嵌入式桥式起重机安全监控仪的USB通信

2022-09-11

起重机在很多工业领域中都得到广泛的应用, 其安全性十分重要。根据行业规定, 起重机必须装备安全监控系统, 以免超载。

目前, 国外的起重机基本上都安装了起重机安全监控保护装置, 国内除了近年进口的起重机外, 国产起重机大体上都没有安装安全监控保护装置, 由于进口的起重机安全保护装置价格昂贵并且与国产的起重机不配套, 因此国内的起重机生产厂家和用户急需国产的起重机安全监控保护装置。由此可见, 起重机的安全监控保护装置有着广阔的市场前景。虽然国内的研究人员做了大量的努力, 但我国起重机安全监控保护装置的研制时间较短, 起点水平低, 可靠性差, 稳定性、检测精度以及多功能性和国外的相比都有一定的差距, 这直接影响起重机作业过程中的国家财产及工作人员的安全[1]。

1 硬件设计

1.1 系统硬件

安全 (超载) 监控记录仪的总体系统硬件结构框图如图1所示, 由两个部分组成:一个与传感器相连, 用于采集重量的前端变送器;一个用于参数修改设置和数据存储管理的监控记录仪。

监控记录仪中保存着每次起吊的数据, 为了更好管理和监督起重机的运行, 要对此数据进行分析, 数据分析的第一步就是必须将这些数据传送至上位PC机, 然后运行PC机专用的上位机软件, 对这些数据进行统计分析。传送数据至PC机就二种方法可选, 一种是在LPC2294与PC机之间布置电缆, 利用LPC2294和PC机的串口进行通信, 实时或定时传输数据;另一种方法就是利用U盘, 定时将存储于记录仪的数据拷贝至U盘, 然后再将这些数据转存至上位PC机。第一种方法最简单, 但是重新布置电缆, 对于重工型企业来说, 比较麻烦, 并且远距离的传输, 还得考虑干扰问题。在此特采用了第二种方法。

本系统采用南京沁恒公司的CH375专用USB控制芯片[2]。CH375是一个USB总线的通用接口芯片, 支持HOST主机方式和SLAVE设备方式。在本地端, CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出, 可以方便地挂接到LPC2294的系统总线上。在USB主机方式下, CH375还提供了串行通讯方式, 通过串行输入、串行输出和中断输出与LPC2294相连接。

1.2 接口电路

串行通信可以节省系统的IO资源, 所以本设计选用CH375工作于主机模式下的串行通信方式, 利用LPC2294的UART1与CH375通信。在复位时CH375的TXD端悬空或没有接下拉电阻到地, 此时CH375工作于串口方式。在串口方式下, CH375只需要与LPC2294连接3个信号线, TXD引脚、RXD引脚以及INT#引脚, 其它引脚都可以悬空。除了连接线较少之外。由于INT#引脚和TXD引脚在CH375复位期间只能提供200u A的高电平输出电流, 在进行较远距离的连接时, 为了避免INT#或者TXD在CH375复位期间受到干扰而导致LPC2294误操作, 可以在INT#引脚或者TXD引脚上加阻值为1KΩ~5KΩ的上拉电阻, 以维持较稳定的高电平。在CH375芯片复位完成后, INT#引脚和TXD引脚将能够提供5m A的高电平输出电流或者5m A的低电平吸入电流。

2 软件设计

2.1 数据读写方式

CH375对U盘文件的读写方式分为三种:扇区模式和字节模式, 以及数据流模式。鉴于扇区模式读写速度最快, 且LPC2294的RAM空余空间也远大于512B[3], 特选用扇区读写模式。在本系统中, 利用扇区模式读写U盘时, 主要用到以下三种命令代码 (命令代码为CH375内部定义的) 和一命令函数:CMD_File Create, 新建文件;CMD_File Write, 写入数据;CMD_File Close, 关闭文件;Exec Command, 命令函数。

(1) CMD_File Create命令代码表示新建文件并打开, 如果文件已存在则先删除再新建。新建文件, 输入参数指定新文件的路径名和文件名。如果存在同名文件, 那么该同名文件将首先被删除, 然后再新建文件。

(2) CMD_File Write命令代码表示以扇区为单位向当前文件写入数据。向当前已打开文件中写入数据, 每次写入后自动移动文件指针, 第二次执行命令将从第一次写入数据的后面继续写入数据。输入参数指定需要写入的扇区数, 所以写入数据的长度总是512的倍数。该命令会检查文件结束簇, 并且在需要时会自动分配磁盘空间以便继续写入。

(3) CMD_File Close命令代码表示关闭当前文件。打开文件使用完毕后, 应该关闭文件。对于读操作, 关闭文件是可选操作。对于写操作, 关闭文件的同时, 可以让模块自动更新文件长度。在扇区模式下, 自动更新的文件长度是以扇区为单位计算的, 所以文件长度通常是512的倍数。

3.2数据读写程序设计

因在监控记录仪程序中嵌入了操作系统, 特专为数据转存设置了一个任务, 以方便通过CH375向U盘写入数据。该任务步骤如下:在写U盘时, 首先第一步是将存储在FLASH中的数据读出来赋给变量, 接着将其写入缓冲区。等缓冲区的数据达到4个扇区后, 就将缓冲区的数据写入U盘, 并返回代码 (在U盘读写的众多指令中, 有很多指令可以返回操作代码, 代码为0表示成功) 。

3结语

事实表明, 采用USB接口转存历史记录数据, 简节可靠, 进一步完善了记录仪对起重机运行状况的管理能力。该仪器已投入使用, 在工作环境十分恶劣情况下, USB通信仍能保证速度和可靠性, 抗干扰能力强。

摘要：为加强起重机安全监控仪对起重机运行状况的管理能力, 特利用USB通信, 将记录历史数据转存至U盘, 并配合上位机软件对数据进行分析。此设计进一步完善了记录仪对起重机运行状况的管理和统计能力。

关键词：桥式起重机,LPC2294,CH375