基于DSP的电动轮自卸车监控系统的设计.pdf

第 2 9 卷第 1 0期 2 O O 8 年 l O月 煤矿机械 Co a l Mi ne Ma c h i n e Vo 1 ． 2 9 No ． 1 0 Oc t ．2 008 基于 D S P的电动轮 自卸车监控系统的设计 * 陈华光 湖南工程学院，湖南 湘潭 4 1 1 1 0 4 摘要 为了对 电动轮 自卸车实现监控 ， 设计 了一种基于 D S P自卸车现场监控 系统 ， 给 出了控 制系统的组成结构， 详细分析 了 D S P和 P C的硬件连接和串1 7 通信原理， 介绍 了监控软件 的主程序 流程 图和监控模块的功能。样机测试表明其性能优 良， 可用于装备新一代 国产 电动轮 自卸车。 关键词 D S P ；Mo d b u s 协议 ；监控 系统 ；电动轮 自卸车 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 8 1 0 。 0 0 0 6 0 3 De s i g n o f M o n i t o r i n g S y s t e m f o r El e c t ricwh e e l CHEN Huag u a ng H u n a n E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， X i a n g t a n 4 1 1 1 04 ， C h i n a Al r a c t F o r t h e mo n i t o ri n g e l e c t r i cw h e e l d u mp c a l “ ．mo nit o r i n g s y s t e m b a s e d o n DS P i s d e s i g n e d． T h e c o n s t i t u t i o n o f t h e c o n t r o l s y s t e m i s g i v e n，the p ri n c i p l e o fthe s e r i al c o mmu n i c a tio n a n d c i r c u i t C O I L r l ectio n b e t wc e n DS P a n d P C i s a n a l y z ed i n d e t a i l ． n1 e fl o w c h a r t o f t h e mo n i t o ri n g p r o g r a m a n d the f u n c tio n o f mo n i t o r - i n g m o d u l e a r e d i s c u s s e d ． e c h a r a c t e ri s ti c s of 山e s a mp l e ma c h i n e h a v e b e e n t e s t ed t o be w e l l q u ali fi ed ．I t C a l l be u s e d i n e l ect r i cw h e e l d um p c a l “ n e w f a mi l i e s ． Ke y wo r d s DS P；Mo d b u s p r o t o c o l ；mo nit o r s y s t e m；e l ect r i c w h e e l d um p c a r 1 系统组成 *湖南省教育厅资助科研项 目 0 7 2 2 1 6 自卸车现场监控系统硬件结构 图如 图 1所示 。 系统是由上位机 P C T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 D S P芯片 、 传感 器和 A ／ D转换模块组成。上位机和现场控制器 D S P j屯 舢 ． 址 设权重集 W { 0 ． 5 0 ， 0 ． 3 0 ， 0 ． 2 0 } 逻辑推理 对子系统 A ， 从费用考虑应取小值 可靠度 ，即 P ． R ， R ； 从重要性考虑取 较大值 可靠度 ， 即 P 1 R ． R ； 从复杂程度 考虑应取中等值， 即 R ． R 。 于是子系统 A ． 的可靠度 3 “ 弓∑w j ∑rj／2 r y 0 ． 5 [ 1 0 ．9 0 ． 8 0 ． 9 1 0 ． 2 0 ． 9 2 ／ 1 0 ． 8 0 ． 2 J 0 ． 3 [ 0 ． 4 0 ． 9 6 0 ． 80 ． 9 71 0 ． 9 80 ． 2 X 0 ． 9 9 ／ 0 ． 40 ． 81 0 ． 2 j0 ． 2 [ 0 ． 40 ． 9 50 ． 6 x 0 ． 9 61 ． 00 ． 9 7 0 ． 80 ． 9 80 ． 20 ． 9 9 ／ 3 ]0 ． 9 3 9 1 同理 ． ． 0． 9 3 9 1 ， 0． 9 9 4 0， 于是该系统的可靠度 R RA ． 。 ， 。 RA ， 。 RA ． 0． 9 3 9 1 20． 9 9 4 0 2 ⋯1 一 一j～4 O． 8 71 4 4结语 可靠度分配是系统可靠性设计的关键环节 ， 其 分配是否合理， 对巷道卧底机机械传动系统的设计 质量会产生很大的影响。如何正确处理巷道卧底机 机械传动系统可靠性设计 中存在的模糊信息及合理 分配可靠度是今后研究的重要课题 。把模糊数学理 ．1 ． L ； 屯 址 ． 址 ． ‘ ． L． 址 ． 驰 论引入巷道卧底机机械传动系统 的设计与可靠性分 析中， 会使其更科学化， 也会使人们对巷道卧底机传 动系统予以新的认识与重视。本文所研究的巷道卧 底机机械传动系统的可靠度模糊优化分配方法， 也 适用于对巷道卧底机整体可靠性 的可靠度优化 分 配， 适用于其他相类似系统的可靠度设计与分析。 参考文献 [ 1 ] 王彩华 ， 宋连天 ． 模 糊论方法学 [ M] ． 北京 中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 8． [ 2 ] 牟致忠． 机械可靠性[ M ] ． 北京 人民邮电出版社， 1 9 8 9 ． [ 3 ] 吉林工业大学 ． 轮式巷道卧底机设计 [ M] ． 北京 中国建筑工业出 版社 ， 1 9 8 2 ． [ 4 ] 莫文辉． 可靠性模糊优化设计方法[ J ] ． 南昌航空工业学院学报， 2 0 0 1 ， 1 5 4 ． [ 5 ] 莫才颂 ． 机械零件的模糊可靠性优化设计[ J ] ． 茂名学院学报， 2 0 0 2 ， 1 2 3 4 2 4 4． [ 6 ] 梁尚明， 殷国富． 现代机械优化设计方法[ M] ． 北京 化学工业出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 7 ] 黄洪钟 ． 机械设 计模糊优化 原理及应用 [ M] ． 北 京 科学 出版社 ， 1 9 9 7． [ 8 ] 王桂梅 ， 牛清娜 ， 高长 举 ． 井 下巷道卧 底设备 的研 制 [ J ] ． 煤 矿机 电 ， 2 0 O 7 ， 2 8 2 8 58 7 ． 【 9 J G u ime i Wa n g ， i e Y ang ， N a n D u a n ， e t c ． ．D e v e l o p i n g a n e x p l o s i o n p r o o f c a b l e mi l e r p r o d u c t u s i n g v i r t u a l p r o t o t y p e t e c h n o lo g y [ J ] ． Wo r l d J o u ma l o f E n g i n e e r i n g ， 2 O O 5 ， 2 3 ． 作者简介 王桂梅 1 9 6 2一 ， 女 ， 硕士 ， 教授 ， 1 9 9 4年毕业于吉林 工业大学内燃机专业， 曾发表论文 3 0 余篇， 编写教材4部， 主持或主 研机械或 电控类的科研项 目并 已通过 各级 鉴定 7项 ， 其 中 5项获省 级科技进 步奖 ， 现 主要从事 教学 和科 研工 作 ， 电子信箱 g u i me i w a n g h e b e u． e d u． c n． 一 6一 收稿 日期 2 0 0 8 ． o 5 ． 1 4 维普资讯 第 2 9 卷第 1 O期 基于 D S P的电动轮 自卸车监控系统的设计陈华光 v o 1 ． 2 9 N o ． 1 0 之间是采用 Mo d b u s 通信协议通过 R S 4 8 5总线进行 通信。 P C 机 R S 4 8 5 ／ R S 2 3 2 转换器 m o d b u s 协 议] 『T M S 3 2 0 F 2 8 s c I A ， S C ／ B 模块l I I O 模块 A ／ D 转换模块 F V A ， E V B 模块 f I 々 一 _J 开关量 电流 转速 电 同步 移相 信 号 检测 检测 检 测。 触发 信号 监拧对象 电动轮 自卸 车发电机 、电动机 图 1 监控 系统 结构 图 监控系统 主要完成 自卸车的开关量逻辑控制 ， 自卸车牵引与制动过程监控 ， 发 电机和电动机 的 自 动励磁调节 ； 进行实时数据采集 ， 将采集到的车辆运 行数据通过 M o d b u s 通信协议传送到上位 机。上位 P C机实时显示车辆的监控参数 、 车辆的运行状态 ， 对紧急情况进行报警处理 ， 设定其运行参数 ， 实现实 时监控 ， 将数据保存到数据库中。 系统下位机 采用 T I 公 司的 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 D S P 芯片。该款芯片是在 F 2 4 X的基础上开发的高性能 定点芯片。先进的内部和外设结构使得该处理器特 别适合 电机及其他运动控制应用 ， 能够真正地实现 单片控 制器。F 2 8 1 2采用 3 2 b i t 操作 ， 1 5 0 M H z的主 频。内含 1 6 K R AM， 1 2 8 K F L A S H， 1 6路 l 2位高速 A ／ D转换 ， 1 6路 P WM， 5 2路数字 I ／ O， 4路定时器和 内 置 WA T C H D O G 。控制器的输入部分有 3路 脉冲输 入模块 ， 3 4路开关量经输入光 电隔离及电平转换后 送人 D S P处理， l 4 路模拟量经通道切换 、 放大 、 滤波 和快速 A ／ D转换后输入 。输 出有经光 电隔离及 电 平转换后 的 2 8 路开关量和 2 路 P WM方式 的模拟量 输出模块 ， 并配有专用的电机控制外设 事件管理模 块 E V A、 E V B ， 输 出 2路 同步信号到同步移相触发 模块， 保 证 了发 电机和 电动轮 的 同步工作 。采用 F 2 8 1 2 无需外部总线扩展就能实现控制器 的所有功 能 ， 并能工作在 一 4 08 5℃的环境下。控制器具有 带掉电保持的实时 13 历时钟 电路和 6 4 K8位带掉 电保持存取器 F M2 5 L 2 5 6 ， 可实时采集和保存 自卸车 运行实时数据和故障数据。 2 P C与 D S P的通信 1 D S P与 P C的连接 F 2 8 1 2支持异步外设之问的串行通信 ， 内部有 2 路专用的串行通信模块 S C I A与 S C I B ， 其 中用于通 信的 2个 I ／ O引脚分别为发送端 S C I A ／ B T X D和接收 端 S C I A ／ B R X D 。S C I 接收器和发送器是 双缓冲 ， 每 个都有 自己单独的使能和中断标志。两者可以独立 工作或在全双工的方式下同时工作。S C I内部有 多 个串行通信接 口控制寄存器 ， 可 以设置通信的格式 ， 如波特率 、 奇偶校验 、 起 始位 、 停止位和数据位中断 模式 。 P C机的串行通信 口一般采用的是 R S一2 3 2协 议发送和接收都是单端的， 传输速率较低 ， 传输的最 大距离只有 1 5～2 0 1T I ， 而且 R S一2 3 2为共模 传输 ， 抗干扰性 差。因此 ， 本文采 用 了平衡 差分 接 收的 R S一4 8 5协议 ， 其 抗共模 干扰能 力强 ， 接收灵敏度 高 。P C与 F 2 8 1 2的连接方式 如图 2所示 ， P C机通 过 R S 一4 8 5 ／ R S一2 3 2 集线器转换器接入 4 8 5 。图中 S P 3 4 8 1 ／ 3 4 8 5为低 功耗半 双工 收发 器 ， 它完 全满足 R S一4 8 5和 R S一4 2 2串行协议 的要求。D E脚 的逻 辑电平为高时， 使能发送器的差分输出。为低时， 发 送器的输出呈现三态。R E脚 的逻辑 电平 为高时 ， 使能接收器输入 ， 反之 ， 禁止输入。通过软件编程控 制 F 2 8 1 2的 C O M A ． R／ w 脚 电平 ， 可控 制 S P 3 4 8 1 ／ 3 4 8 5 处于发送或接收状态 。 l R 塑 壁垫 墨 i 0 童 R S 4 8 5 1R S 4 8 5 _ _ ⋯ 盲 G 葡 S P 3 4 8 J【 ／ 3 4 8 5 。 R 0 ／ R X R E D E D I ／ ] 、 x _ 一 面 _ I 2 J } 瑚1 2 图 2 P C与 D S P的 串口连接 2 Mo d b u s 通信协议简介 M o d b u s 是一种主从 网络 ， 主方首先向从方发送 通信请求指令 中的功能码 ， 从 方 向主方发 回数 据。 每个从方都有 自己的独立 的地址。主方所发的请求 和从方所发的应答帧都是 以从方的地址开头的。从 方只读发给 自己的指令 ， 对其他从方地址开头 的报 文 不予 理 睬。 Mo d b u s 通信协议规定 了 R T u和 A S C I I 2种通信 方式 R T L 『 方式通信采用 8位每字节的二进制数据 通信 ， 数据校验采用 C R C循 环冗余 校验 ， 通信速度 较快 ； A S C I I 方式 采用 7位 A S C I I 码 进行通信 ， 数据 校验采用 L R C逻辑冗余校验 ， 通信速率 较慢。在一 个通信 系统 中， 2种方式 只能选 用一种 通信方 式。 在本应用系统 中使用 R 1 T L J 通信方式 。 3 从机通信程序设计 根据 Mo d b u s 协议。主 、 从机间通信 时发送 的每 一 帧数据包含以下信息 ， 其格式为 从机地址 J 命令字 l 信息字 l 校验码 从机地址 1 字节 表示从机设备号 ， 主机利用 从机地址来识别从机设备。每个从机都必须有唯一 的地址码 ， 并且只有符合地址码 的从机才能响应并 回复。命令字 1 字节 主机发送 的功能代码 ， 告诉 从机 当前执行什么操作。本文 中， 主机 向从 机读数 据的命令字为 0 4 H， 用于读取从机 的实 时数据 和故 障数据。主机写命令字为 I O H， 用 于向从机写清楚 命令和设定参数。信 息字 N字节 包括进行两机 通信 中各种数据地址 、 数据长度 、 数据信息。校验码 2 字节 用于检测数据通信错误 ， 采用循环冗余码 C R C 1 6 。由于从 机只能被动地接收上位机命令 后， 才进行数据传输。故从机上电初始化后 ， 就会打开 串行通信的接收 中断 ， 接收上位机传过来 的命令与 数据。 1 维普资讯 V o 1 ． 2 9 N o ． 1 0 基于 D S P的电动轮 自卸车监控系统的设计陈华光 第 2 9卷第 1 O期 从机不断地侦测 Mo d b u s网络。当第 1 个数据 地址码到达， F 2 8 1 2 D S P就会进入接收中断， 将该 字符放到数据接收缓 冲区。根据接收到的命令码和 字节长度即可算出本帧数据的总长， 由此判断一帧 数据是否接收完毕。如接收完毕 ， 则进行错误检测。 若从机地址错误或 C R C校验错误 ， 从机不对此作应 答 回复 ， 等待上位机处理。若校验正确 ， 从机根据不 同的 M o d b u s 命令调用相应 的处理函数。例如， 上位 机需要实时数据或故障数据， 则将该类数据按 M o d ． b u s 协议格式加上地址码 、 字节长度和 C R C校验码 后打包成一帧数据 ， 然后引起发送中断 ， 将该帧数据 逐个字节发送 ， 直到全部发送完毕退出中断。发送 中断只有在接收正确后 回复上位机或上位机读数据 时启动。 4 上位机通信模块设计 上位机通信采用 R S 一 4 8 5 协议进行通信， 通信速 率为 9 6 0 0 b i t ／ s ， 8 数据位， 1 个停止位， 奇校验。将数 据加上从机地址、 命令字和校验位得到一帧数据 ， 发 送到串口， 若收到从机传来的一帧数据， 比如收到从 机传来的 6 0 节的实时数据 一个字节就引起接收事 件对上位机效率太低 ， 则引起接收事件， 进入接收中 断， 对其进行 C R C校验和进一步校验 ， 若有误则重发 命令帧 ， 若正确将该帧数据放到数据交换 区。上位机 分为读取 D S P的实时数据和故 障数据， 向 D S P写入 清除命令和设定参数。例如， 当主机需要读取 D S P的 实时数据时， 将启动定时器。定时器每 5 0 0 m s 进入定 时中断处理函数， 发送一个读实时数据命令将接收到 的数据处理后显示到界面。 3 监控软件设计 3 ． 1 监控软件主程序 监控软件具有通信、 系统管理、 控制和信息处理 等功能， 能实现系统的监控要求。系统主程序主要 包括系统初始化、 逻辑运算 、 牵引， 制动控制和故障 数据分析与处理。由于系统外设较多 ， 实时性要求 高， 故对系统中移相触发、 MD采样与数字滤波、 测 速 、 0 ． 5 i n s 的定时和历史数据保存均采用 中断方式 ， 确保 了对 电动车 的实 时监控 。系 统程 序 烧 录在 F 2 8 1 2的 F l a s h 存储器 中， 运行 时将全部 中断程序加 载到 l 2的 R A M 中运行 。这样 可避免频繁从慢 速的 F l a s h中取 值 而影 响运 行 速度 ， 充分 发挥 了 F 2 8 1 2的性能。 系统初始化主要完成整个系统硬件部分和参数 的初始化工作 。包括 C P U工作 初始化、 E V模块初 始化、 中断向量及中断初始化 、 串口 通信 Mo d b u s 协 议 初始化 、 主机设定参数初始化和 A D值与实际值 的比例系数初始化。它还完成反馈单元的比例系数 和各个函数输入接口参数的初始值及 P I 或 P ID调 节器参数、 各特性 曲线 的转折点参数和 比例 斜率 系数的设置。逻辑运算是运用开关输入量和相关模 拟量 ， 根据 自卸车 的逻辑关系式计算开关输 出量和 中间变量 ， 并输出所有开关输 出量。故 障分析与处 理部分主要是故障发生后， 采集和保存故障数据， 提 供给上位机分析用。 3 ． 2 监控 软件 的主要 功 能模块 1 发动机和 电动机控制模块 是实现控制主 要模块 ， 对电动轮 自卸车的控制采用 P I D调节方式 。 由速 度 传 感 器测 出 的 电动 车 的左 右轮 速 度 一 R I G H T , L E F I ’ ， 计 算 出主 整流 柜输 出牵 引 电流 一 或制动电流 。还要判断车辆是否超速 ， 如果 超速 ， 电动车将 自动制动 。由柴油机转速 和反馈 回来的主整流柜输出电流 ， 计算移相触发角 ， 从而 控制发电机和电动机的励磁电流， 使机车性能满足 牵引曲线。由踏板电位信号、 恒速下坡信号 、 电动车 的左右轮速度及反馈回来的制动电流 ， 计算出移 相触发角， 从而控制发电机和电动机的励磁电流， 使 机车性能满足制动曲线。 2 停 车控制模块 使车辆 进入 自动停 车程 序 ， 在接到停车指令后控制车辆按正确的程序停止 工作 。 3 违 章操作监测模 块 监测驾驶员 超速行 驶 、 违章使用工作制动， 超越开关 的情况， 自动记录 违章的时间和次数 ， 并提供给车管人员作为考核驾 驶员工作 的依据。 4 电动轮监测模块主要监测电动机 、 制动 盘的温度 ， 轴承的振动和整流环发热 的程度 ， 当超过 设定值时监测系统 自动报警并记录。 5 发动机和发 电机监测模块 主要监测 油 温 、 油压 、 油量 、 水温和振动等参数 ， 当超过设定值时 声光报警或进入停车程序并记录相关数据。 6 显示操作模块完成系统中各模块参数 的 设定 ， 各模块监测参数的显示 、 存储 、 超限报警功能。 4 结 语 本文根据 自卸车特殊的工作环境 ， 设计 了一种 基于 F 2 8 1 2 D S P芯片自卸车现场监控系统， 该系统 具有集成度高， 实时性好与抗干扰能力强， 适应了电 动轮 自卸车复杂的工作环境。本文所设计的监控系 统与原有控制系统兼容 ， 能完成 电动机 的开关逻辑 控制、 电动车牵引与制动过程的发电机和电动机的 自动励磁调节以及故障信号的实时采集 。样机测试 表明其 性 能优 良， 可 用 于装 备新 一 代 国产 1 0 8 T 、 1 5 4 T等系列电动轮 自卸车。 参考文献 [ 1 ] 于水娟 ， 吴建 ． 基于两级网络 的煤矿 通风机监 控系统设计 与实现 [ J ] ． 煤矿 机械 ，2 0 0 7 ， 2 8 7 1 8 31 8 5 ． [ 2 ] 耿蒲龙 ， 宋 建成 ． 基于 Mo d b u s 现场总线的综采工作 面大型设备监 测监控系统 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 1 2 71 3 0 ． [ 3 ] 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