自动记录式起重机力矩限制器的研制

　　引言
　　“黑匣子”是飞机的电子记录设备之一，即航空飞行记录器。它能够把飞行相关技术数据和状态信息等记录下来，必要时取出来，供实验、事故分析用。如今，“黑匣子”已经成功“着陆”，被更多的民用交通工具使用，比如汽车黑匣子、机车黑匣子、船舶黑匣子等。“黑匣子”技术在起重机上也大有作为。自动记录式力矩限制器能够自动记录起重机非正常状态和某些参数，在功能和结构上，都与传统的“黑匣子”相似，亦可称为起重机“黑匣子”，主要功能有：
　　（1）分析故障：起重机调试和维护中，可以利用其记录的故障数据，帮助分析调试时的状态和维修重点。
　　（2）超载记录：自动记录超载相应信息，便于车主或主管部门翻查分析。
　　（3）状态监视：“黑匣子”与安全警告装置紧密，发生故障或超载的时候，向操作人员报警。
　　（4）修改参数：将起重机一些参数存储到“黑匣子”里，通过通讯手段就可以方便的进行修改，使得力限器能够适应不同的起重机的要求。
　　1.硬件设计
　　起重机“黑匣子”除具有传统的事后事故分析功能外，还能在发生故障和超载的时候，利用液晶字段显示、指示灯和蜂鸣器等一些声光手段提醒操作人员采取相应的措施。此外还采用了一系列防潮、防水、防腐蚀、抗干扰、抗撞击的技术，比如采用铁质外壳来屏蔽系统，使用防水隔潮橡胶圈等。
　　1.1 芯片的选择
　　片外存储芯片选用AT28C64B，它具有8K寻址空间，软硬件数据保护措施，写入的同时自动擦除，写入周期短（10ms），掉电数据不丢失，断电后数据保存10年，功耗低，而且它不需要其他部件、能够像普通的静态RAM那样进行读写操作。时钟芯片选用DS1302串行实时时钟，它可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数，功耗低。串行通讯芯片选用MAXIM公司的MAX232CPA，其功耗低，波特率高，使用普遍，与PC机通讯很方便。单片机采用WINBOD公司的W78E58，52系列单片机，32K片内EPROM，256字节片内RAM，64K片外寻址空间，1个全双工串口。
　　1.2 工作原理
　　系统框图如图一所示。单片机将采集到的传感器信号代入计算程序进行分析处理，根据键盘扫描信号所决定的显示对象，将处理后要显示的数据传输过去。如果在工作中出现故障或超载，单片机会将当时的时间、相关起重数据和状态等信息存放到AT28C64B的固定地址中，完成“黑匣子”的数据采集工作。需要向上位机（如笔记本电脑）传输故障区数据、超载数据以及更改起重机某些参数的时候，需要从AT28C64B中读取出相应的数据，利用MAX232CPA按字节发送到上位机上，完成数据通讯工作。这些参数变量要代入力矩计算公式进行计算的，它们的改变将直接影响力限器的计算结果。力矩计算公式具有一定的代表性和适用性，实际上改变参数的值意味着满足不同起重机对力限器的要求。
　　1.3 AT28C64的存储方法
　　“黑匣子”记录的数据存储到EEPROM需要统筹规划，不仅考虑寻址方便，而且尽量压缩空间的使用便于今后扩展，这三种记录的数据按类型分片管理。
　　起重机参数变量分成两种：单字节数据，如工况，调零调满值等；双字节数据，如基本臂臂长，二节臂臂长等。故障分为10种，分别放在10个故障区，每区占用250个字节。超载区zui多存放100条超载记录，每条包括超载发生的相关时间信息、峰值、当时的工况、幅度等，根据这些参数就能知道超载发生时起重机的状况，这是起重机“黑匣子”的主要功能。涉及到记录浮点数的，一律将其转变为整数进行存储。上位机接收后，再把它们转换回相应的浮点数进行处理和显示。这样不仅节省了空间，而且便于上位机处理。
　　2.软件设计
　　2.1串行通讯原理简介
　　串行通讯分为同步和异步两种模式，异步使用较多。串行通讯双方只有遵守一定的通信规则才能正常工作，该规则就是通信端口的初始化，包括设置数据传输速度、发送单位、起始位或停止位以及校验码。
　　2.2 串行通讯的步骤
　　单片机上电自检后，液晶屏上会出现“————”，表示当前处于串行通讯状态。如果此时接收到握手信号，系统将处于串行通讯状态并向上位机发送反馈信号，否则进入正常工作状态。进入串行通讯状态，单片机会按上位机发出的指令与其进行通讯。通讯流程图见图二所示。指令分为两大类：松手指令和正常通讯指令。松手指令双方可以相互约定不易混淆的代码充当。正常通讯指令由三部分组成的：指令代码（读/写）、操作对象地址、操作对象数量范围，以此指导单片机寻址、操作。指令设定八位一个字节，作为zui小的通讯单位，单片机一次zui多发送256个字节（单片机本身所限）。指令代码的设置应具有一定的安全性，稳定性，可靠性。
　　3.上位机软件
　　3.1 VB6.0串行通讯控件及其界面简介
　　起重机“黑匣子”如实地将起重机非正常状态记录下来以后，还需要在上位机上通过软件再现出来才算完成完整的功能。系统利用VB6.0有效地完成我们完成串行通讯的任务。VB6.0自带的 MSComm控件提供了事件响应功能开发串行通讯工程，另外还可以利用定时器或是DO…Loop，以轮询来达到自动化的目的。为了节省系统资源，上位机对串行数据的读取采用事件触发方式。接收缓冲区接收到数据便会触发OnComm事件，根据CommEvent属性值的当时值，建立一个事件驱动的通讯程序进行处理。
　　上位机通讯软件界面如图三所示。该界面能够完成多种功能。开始运行时，软件按选择的端口不断发出握手信号，直到接收到单片机正确的反馈信号。这时便处于连通状态，可进行多种操作：选择故障区并读取和保存、读取超载区并保存、选择读或写起重机参数变量、松手退出等。写入参数时，会有提示框弹出防止误操作，输入数据超过范围，软件拒绝写入。
　　3.2 上位机软件内部处理
　　上位机从单片机得到的是二进制代码，但是显示的对象有单、双字节之分，这就要将其转变成相应的10进制数据。单字节数据转变为10进制数据相对简单，调用VB6.0相应函数即可。双字节数据需要两个字节连在一起转换，涉及到数据正负的问题：转换后的数据zui高位是1的话，VB6.0认为是符号位，自动将其变成负数。遇到这种情况，只要将zui高位的1以0代替，将得出的10进制数加上32768就能解决。时间数据按单字节数据的转换、显示方法处理。
　　5．结论
　　随着“黑匣子”技术的民用化的普及，起重机安装“黑匣子”已是大势所趋。文章基于单片机系统开发出一种适应范围广泛的起重机“黑匣子”,并已完成现场调试。实践证明，起重机“黑匣子”具有反应灵敏、操作方便、性能稳定、成本低廉，深受客户好评。
　　参考文献：
　　[1] 范逸之，陈立元；Visual Basic 与RS-232串行通讯控制；清华大学出版社；2002
　　[2] 张培仁；基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用；清华大学出版社；2003
　　[3] 刘欣；大屏幕液晶显示在力矩限制器中的应用；现代电子技术；2004.10
　　作者简介：刘欣，男，生于1956年，大连理工大学副教授，主要从事自动控制及智能仪表方面的研究。