基於fpga的塔機自動安全監控系統的製作方法

2023-05-05 04:44:31

專利名稱：基於fpga的塔機自動安全監控系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種塔機安全監控系統，尤其涉及一種基於FPGA的塔機自動安全監控 系統。
技術背景現有的塔機監控系統主要是採用單片計算機、工控機、PLC、 ARM作為其監控系統 的主控單元，主控單元是整個系統的核心部件，承擔著信息融合、處理、分析、存儲、 傳輸等功能。所以，作為主控單元首先應該具備強大的數據處理功能，其次由於系統各 種信息來自不同的傳感器單元，且為了實現存儲、輸出、鍵盤、顯示等功能，也就必須 提供豐富的外圍電路接口，這又對主控單元提出了包括處理速度、接口能力在內的較為 複雜的要求。作為單片機，不管處理能力上以及外圍接口能力上均是受到其處理速度限 制的；PLC是工業控制中比較常用的設備，但是其優勢往往體現在能夠直接控制工業設 備方面，在處理能力上並沒有什麼優勢，而且熟悉PLC的工程師比較少，往往是自動化 專業的，那麼就給後期的維護使用帶來的限制；工控機和ARM比較貴，主要是其操作系 統，在成本控制方面處於劣勢。 發明內容本發明的目的是提供一種基於FPGA的塔機自動安全監控系統，採用FPGA作為塔 機側主控單元，具有處理能力強、成本低的優點。 為了達到上述目的，本發明的技術方案如下基於FPGA的塔機自動安全監控系統，包括通過無線網絡2連接的塔機側功能控制 臺1和控制室側功能控制臺3，塔機側功能控制臺1包括環境監測單元4、起重信息監測 單元5、塔身基礎監測單元6、小車信息監測單元7、信息採集隔離整理單元8、存儲單 元10、輸出控制單元ll、可擴展鍵顯單元12和無線傳輸單元13，其中，環境監測單元 4、起重信息監測單元5、塔身基礎監測單元6、小車信息監測單元7分別單向連接於信 息採集隔離整理單元8，其特徵在於，塔機側功能控制臺1還包括基於FPGA的主控單 元9，信息採集隔離整理單元8單向連接於基於FPGA的主控單元9，存儲單元IO、輸 出控制單元11、可擴展鍵顯單元12、無線傳輸單元13分別雙向連接於基於FPGA的主 控單元9。上述基於FPGA的主控單元9包括主控單元板和FPGA，主控單元板上設有電源、 ROM、 RAM、 FLASH、顯示接口、滑鼠接口、鍵盤接口、 USB接口、 RS232/485接口、JTAG接口和不同的總線接口， FPGA包括CPU、看門狗、FLASH、 RAM、顯示接口、 滑鼠接口、鍵盤接口、 USB接口、 RS232/485接口、電源、可編程I/0接口、總線接口 和總線硬碟接口，看門狗、FLASH、 RAM、顯示接口、滑鼠接口、鍵盤接口、 USB接口 、 RS232/485接口、電源、可編程I/0接口、總線接口、總線硬碟接口分別與CPU連接。本發明的有益效果是減少了塔機使用安全事故，提高了塔機運行的安全性，並且能滿 足用戶對塔機控制方面的需求，使塔機運行更安全、更平穩、更有效。


圖1是本發明基於FPGA的塔機自動安全監控系統的組成框圖。 圖2是本發明基於FPGA的塔機側功能控制臺組成框圖。 圖3是本發明的控制室側功能控制臺組成框圖。 圖4是本發明基於FPGA的主控單元的組成框圖。圖中1、塔機側功能控制臺，2、無線網絡，3、控制室側功能控制臺，4、環境監測單 元，5、起重信息監測單元，6、塔身基礎監測單元，7、小車信息監測單元，8、信息採集隔 離整理單元，9、基於FPGA的主控單元，10、存儲單元，11、輸出控制單元，12、可擴展 鍵顯單元，13、無線傳輸單元，14、無線傳輸單元，15、數據處理單元。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細地描述如圖1至圖4所示，基於FPGA的塔機自動安全監控系統包括塔機側功能控制臺1和 控制室側功能控制臺3，塔機的各種工作信息是通過塔機側功能控制臺1進行釆集、分析、 存儲，並通過無線網絡2傳輸到控制室側功能控制臺3，進行數據的備份存儲，以及後續的 各種處理。塔機側功能控制臺l由環境監測單元4、起重信息監測單元5、塔身基礎監測單元6、小 車信息監測單元7、信息採集隔離整理單元8、基於FPGA的主控單元9、存儲單元10、輸 出控制單元11、可擴展鍵顯單元12和無線傳輸單元13組成。基於FPGA的主控單元9通過 信息採集隔離整理單元8，從包含著各種傳感器的環境監測單元4、起重信息監測單元5、塔 身基礎監測單元6、小車信息監測單元7中採集各種塔機實時的運行信息，包括現場環境、 小車泰幅、起重重量、塔身傾斜等信息，將這些信息在其內部進行各種分析以及處理，並且 通過雙向連接，將數據一方面存入存儲單元10中， 一方面通過無線傳輸單元13和無線傳輸 單元14構成的無線傳輸網，進行無線數據傳輸，將數據備份到控制室側；而且基於FPGA 的主控單元9還可以根據需要，將信息採集隔離整理單元8採集來的信息經過處理後，在可 擴展鍵顯單元12上實時顯示出來，並且通過可擴展鍵顯單元12也可實現數據的設置；在滿 足控制要求時，基於FPGA的主控單元9向輸出控制單元11發出控制命令，通過輸出控制 單元ll控制塔機運行，使得塔機處於本系統的監控之下，提高其運行的安全性。控制室側功能控制臺3由無線傳輸單元14和數據處理單元15組成，基於FPGA的主控 單元9通過RS232/RS485接口與無線傳輸單元13連接，並與無線傳輸單元14、數據處理單 元15構成一個無線傳輸收發系統，數據通過無線傳輸單元13無線發送出去，在無線傳輸單 元14中進行接收，並通過RS232/RS485接口送到數據處理單元15中去，進行數據的備份以 及後續處理。相反地，各種信息也可以通過無線傳輸單元14發送，在無線傳輸單元13中進行接收， 通過無線傳輸單元13與基於FPGA的主控單元9之間的雙向連接，把信息送到主控單元9 中處理，以便實現從控制室側對塔機側的遠程控制。如圖4所示，基於FPGA的主控單元9由主控單元板和FPGA組成，主控單元板上提供 電源、ROM、 RAM、 FLASH等存儲器件，還提供了顯示、滑鼠、鍵盤、USB、 RS232/485、 JTAG以及不同的接口總線等接口電路，而FPGA實現晶片的邏輯控制功能，利用其可編程 特性，在晶片上CPU CORE通過指令運算實現系統的各種功能，並且通過編程實現軟體看門 狗電路，保證系統的正常工作特性，通過編程實現顯示、滑鼠、鍵盤、USB、 RS232/485、 JTAG 以及不同的接口總線等接口，用於連接外部的各種信息單元，形成完整的數據流。具體而言， 總線接口用來接收信息採集整理隔離單元8傳輸過來的各種傳感器信息，並且將其送達FPGA 中進行處理；總線硬碟接口則是用於連接工業級硬碟等存儲單元IO，用於數據的存儲；晶片 上實現的顯示、滑鼠、鍵盤、RS232/485接口則分別對應連接於顯示器、滑鼠、鍵盤，即可 擴展鍵顯單元12和無線傳輸單元13;可編程I/O接口則連接了輸出控制單元11，用於輸出 控制之用，而JTAG、 USB接口用於對FPGA的在線編程，其中USB也可以連接USB接口 的FLASH作為存儲單元之用。數據信息從信息採集整理隔離單元8經過總線送到基於FPGA的主控單元9相應的總線 接口，送到CPU CORE中進行數據處理，同時，數據也可以通過基於總線硬碟接口，或者 USB接口送到存儲單元10中進行存儲，經過處理以後，根據所需，CPU CORE可以實時通 過相應的可擴展鍵顯接口 12實現顯示功能，通過輸出控制單元11實現輸出控制功能，以及 通過無線傳輸單元13實現無線傳輸功能，也可以將存儲單元10中的歷史數據通過無線傳輸 單元13傳送到控制室側；看門狗則負責監控CPU CORE的程序執行，在程序跑飛的時候自 動實現系統復位，保證系統程序正常運行。CPU CORE中的程序可以通過JTAG或者USB接 口寫入，此夕卜，USB接口也可以用於連接存儲單元IO作存儲接口之用；ROM、 RAM、 FLASH 是為了滿足系統運行所需而提供的存儲單元，也可以臨時存儲一些採集過來的數據。
本發明公開的基於FPGA的塔機自動安全監控系統主要是通過FPGA實現系統塔機側主 控單元，FPGA是現場可編程門陣列的英文簡稱，是現在較為流行的一種系統可編程方案。 FPGA的其特點是編程簡單，具有各種方便使用的內核程序，大眾熟悉類C的程式語言， 簡化了編程過程；接口豐富，在FPGA片上或者配合一些外部專用的接口晶片，可以提供各 種不同的外圍接口；具有現場可編程特性，只要內部的程序更改即可以改變其可執行的功能， 方便日後的功能升級；此外，在確定FPGA完整的設計要求之後，可以投片生產專門的ASIC， 具有晶片產業化的潛在能力。FPGA的價格處於中下等價格水平位置，符合產品成本控制要 求，而且隨著業內對FPGA了解的不斷深入，會使用FPGA的人越來越多，包括自動化在內， 電子、通信、計算機等專業也能很容易的掌握其使用方法，後備技術力量充足。本發明採用 的FPGA用於實現塔機自動安全監測系統中塔機側功能控制臺的主控單元，通過編程，對採 集卡輸入的各種傳感器數據進行分析處理，將數據在本側的存儲單元上進行存儲，同時通過 基於公用網絡的無線傳輸單元備份到控制室側，以便提供數據的後續分析、存儲等功能，通 過其各種外圍接口，實現鍵盤輸入、監視器顯示等功能。
權利要求
1、基於FPGA的塔機自動安全監控系統，包括通過無線網絡(2)連接的塔機側功能控制臺(1)和控制室側功能控制臺(3)，塔機側功能控制臺(1)包括環境監測單元(4)、起重信息監測單元(5)、塔身基礎監測單元(6)、小車信息監測單元(7)、信息採集隔離整理單元(8)、存儲單元(10)、輸出控制單元(11)、可擴展鍵顯單元(12)和無線傳輸單元(13)，其中，環境監測單元(4)、起重信息監測單元(5)、塔身基礎監測單元(6)、小車信息監測單元(7)分別單向連接於信息採集隔離整理單元(8)，其特徵在於，塔機側功能控制臺(1)還包括基於FPGA的主控單元(9)，信息採集隔離整理單元(8)單向連接於基於FPGA的主控單元(9)，存儲單元(10)、輸出控制單元(11)、可擴展鍵顯單元(12)、無線傳輸單元(13)分別雙向連接於基於FPGA的主控單元(9)。
2、 如權利要求1所述的基於FPGA的塔機自動安全監控系統，其特徵在於，所述基於 FPGA的主控單元(9)包括主控單元板和FPGA，主控單元板上設有電源、ROM、 RAM、 FLASH、顯示接口、滑鼠接口、鍵盤接口、 USB接口、 RS232/485接口、 JTAG接口和不同 的總線接口， FPGA包括CPU、看門狗、FLASH、 RAM、顯示接口、滑鼠接口、鍵盤接口、 USB接口、 RS232/485接口、電源、可編程I/0接口、總線接口和總線硬碟接口，看門狗、 FLASH、 RAM、顯示接口、滑鼠接口、鍵盤接口、 USB接口、 RS232/485接口、電源、可編 程I/0接口、總線接口、總線硬碟接口分別與CPU連接。
全文摘要
本發明涉及一種塔機監控系統，該監控系統包括通過無線網絡連接的塔機側控制臺和控制室側控制臺，塔機側控制臺包括環境監測單元、起重信息監測單元、塔身基礎監測單元、小車信息監測單元、信息採集隔離整理單元、基於FPGA的主控單元、存儲單元、輸出控制單元、可擴展鍵顯單元和無線傳輸單元，信息採集隔離整理單元單向連接於基於FPGA的主控單元，存儲單元、輸出控制單元、可擴展鍵顯單元、無線傳輸單元分別雙向連接於基於FPGA的主控單元。本發明的有益效果是減少了塔機使用安全事故，提高了塔機運行的安全性，並且能滿足用戶對塔機控制方面的需求，使塔機運行更安全、更平穩、更有效。
文檔編號G05B19/048GK101211170SQ200710159319
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月25日 優先權日2007年12月25日
發明者嬌 劉, 爽 吳, 軍 孟, 宋利民, 浩 李, 陽 李, 廈 楊, 王旭東, 王立軍, 魏玉玲 申請人:大連海事大學;錦州市現場心理、現場物證鑑定研究學會