專利名稱：基于fpga的塔機自動安全監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)，尤其涉及一種基于FPGA的塔機自動安全監(jiān)控 系統(tǒng)。
技術(shù)背景現(xiàn)有的塔機監(jiān)控系統(tǒng)主要是采用單片計算機、工控機、PLC、 ARM作為其監(jiān)控系統(tǒng) 的主控單元，主控單元是整個系統(tǒng)的核心部件，承擔著信息融合、處理、分析、存儲、 傳輸?shù)裙δ?。所以，作為主控單元首先應該具備強大的?shù)據(jù)處理功能，其次由于系統(tǒng)各 種信息來自不同的傳感器單元，且為了實現(xiàn)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(nèi)的較為 復雜的要求。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(yè)控制中比較常用的設備，但是其優(yōu)勢往往體現(xiàn)在能夠直接控制工業(yè)設 備方面，在處理能力上并沒有什么優(yōu)勢，而且熟悉PLC的工程師比較少，往往是自動化 專業(yè)的，那么就給后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(tǒng)，在成本控制方面處于劣勢。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于FPGA的塔機自動安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用FPGA作為塔 機側(cè)主控單元，具有處理能力強、成本低的優(yōu)點。 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下基于FPGA的塔機自動安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括通過無線網(wǎng)絡2連接的塔機側(cè)功能控制 臺1和控制室側(cè)功能控制臺3，塔機側(cè)功能控制臺1包括環(huán)境監(jiān)測單元4、起重信息監(jiān)測 單元5、塔身基礎監(jiān)測單元6、小車信息監(jiān)測單元7、信息采集隔離整理單元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(huán)境監(jiān)測單元 4、起重信息監(jiān)測單元5、塔身基礎監(jiān)測單元6、小車信息監(jiān)測單元7分別單向連接于信 息采集隔離整理單元8，其特征在于，塔機側(cè)功能控制臺1還包括基于FPGA的主控單 元9，信息采集隔離整理單元8單向連接于基于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分別雙向連接于基于FPGA的主 控單元9。上述基于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、鼠標接口、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、 鼠標接口、鍵盤接口、 USB接口、 RS232/485接口、電源、可編程I/0接口、總線接口 和總線硬盤接口，看門狗、FLASH、 RAM、顯示接口、鼠標接口、鍵盤接口、 USB接口 、 RS232/485接口、電源、可編程I/0接口、總線接口、總線硬盤接口分別與CPU連接。本發(fā)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，并且能滿 足用戶對塔機控制方面的需求，使塔機運行更安全、更平穩(wěn)、更有效。


圖1是本發(fā)明基于FPGA的塔機自動安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖。 圖2是本發(fā)明基于FPGA的塔機側(cè)功能控制臺組成框圖。 圖3是本發(fā)明的控制室側(cè)功能控制臺組成框圖。 圖4是本發(fā)明基于FPGA的主控單元的組成框圖。圖中1、塔機側(cè)功能控制臺，2、無線網(wǎng)絡，3、控制室側(cè)功能控制臺，4、環(huán)境監(jiān)測單 元，5、起重信息監(jiān)測單元，6、塔身基礎監(jiān)測單元，7、小車信息監(jiān)測單元，8、信息采集隔 離整理單元，9、基于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(shù)據(jù)處理單元。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細地描述如圖1至圖4所示，基于FPGA的塔機自動安全監(jiān)控系統(tǒng)包括塔機側(cè)功能控制臺1和 控制室側(cè)功能控制臺3，塔機的各種工作信息是通過塔機側(cè)功能控制臺1進行釆集、分析、 存儲，并通過無線網(wǎng)絡2傳輸?shù)娇刂剖覀?cè)功能控制臺3，進行數(shù)據(jù)的備份存儲，以及后續(xù)的 各種處理。塔機側(cè)功能控制臺l由環(huán)境監(jiān)測單元4、起重信息監(jiān)測單元5、塔身基礎監(jiān)測單元6、小 車信息監(jiān)測單元7、信息采集隔離整理單元8、基于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?；贔PGA的主控單元9通過 信息采集隔離整理單元8，從包含著各種傳感器的環(huán)境監(jiān)測單元4、起重信息監(jiān)測單元5、塔 身基礎監(jiān)測單元6、小車信息監(jiān)測單元7中采集各種塔機實時的運行信息，包括現(xiàn)場環(huán)境、 小車泰幅、起重重量、塔身傾斜等信息，將這些信息在其內(nèi)部進行各種分析以及處理，并且 通過雙向連接，將數(shù)據(jù)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(gòu)成的無線傳輸網(wǎng)，進行無線數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)備份到控制室側(cè)；而且基于FPGA 的主控單元9還可以根據(jù)需要，將信息采集隔離整理單元8采集來的信息經(jīng)過處理后，在可 擴展鍵顯單元12上實時顯示出來，并且通過可擴展鍵顯單元12也可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的設置；在滿 足控制要求時，基于FPGA的主控單元9向輸出控制單元11發(fā)出控制命令，通過輸出控制 單元ll控制塔機運行，使得塔機處于本系統(tǒng)的監(jiān)控之下，提高其運行的安全性。控制室側(cè)功能控制臺3由無線傳輸單元14和數(shù)據(jù)處理單元15組成，基于FPGA的主控 單元9通過RS232/RS485接口與無線傳輸單元13連接，并與無線傳輸單元14、數(shù)據(jù)處理單 元15構(gòu)成一個無線傳輸收發(fā)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過無線傳輸單元13無線發(fā)送出去，在無線傳輸單 元14中進行接收，并通過RS232/RS485接口送到數(shù)據(jù)處理單元15中去，進行數(shù)據(jù)的備份以 及后續(xù)處理。相反地，各種信息也可以通過無線傳輸單元14發(fā)送，在無線傳輸單元13中進行接收， 通過無線傳輸單元13與基于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(xiàn)從控制室側(cè)對塔機側(cè)的遠程控制。如圖4所示，基于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、鼠標、鍵盤、USB、 RS232/485、 JTAG以及不同的接口總線等接口電路，而FPGA實現(xiàn)芯片的邏輯控制功能，利用其可編程 特性，在芯片上CPU CORE通過指令運算實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，并且通過編程實現(xiàn)軟件看門 狗電路，保證系統(tǒng)的正常工作特性，通過編程實現(xiàn)顯示、鼠標、鍵盤、USB、 RS232/485、 JTAG 以及不同的接口總線等接口，用于連接外部的各種信息單元，形成完整的數(shù)據(jù)流。具體而言， 總線接口用來接收信息采集整理隔離單元8傳輸過來的各種傳感器信息，并且將其送達FPGA 中進行處理；總線硬盤接口則是用于連接工業(yè)級硬盤等存儲單元IO，用于數(shù)據(jù)的存儲；芯片 上實現(xiàn)的顯示、鼠標、鍵盤、RS232/485接口則分別對應連接于顯示器、鼠標、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，用于輸出 控制之用，而JTAG、 USB接口用于對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(shù)據(jù)信息從信息采集整理隔離單元8經(jīng)過總線送到基于FPGA的主控單元9相應的總線 接口，送到CPU CORE中進行數(shù)據(jù)處理，同時，數(shù)據(jù)也可以通過基于總線硬盤接口，或者 USB接口送到存儲單元10中進行存儲，經(jīng)過處理以后，根據(jù)所需，CPU CORE可以實時通 過相應的可擴展鍵顯接口 12實現(xiàn)顯示功能，通過輸出控制單元11實現(xiàn)輸出控制功能，以及 通過無線傳輸單元13實現(xiàn)無線傳輸功能，也可以將存儲單元10中的歷史數(shù)據(jù)通過無線傳輸 單元13傳送到控制室側(cè)；看門狗則負責監(jiān)控CPU CORE的程序執(zhí)行，在程序跑飛的時候自 動實現(xiàn)系統(tǒng)復位，保證系統(tǒng)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接口也可以用于連接存儲單元IO作存儲接口之用；ROM、 RAM、 FLASH 是為了滿足系統(tǒng)運行所需而提供的存儲單元，也可以臨時存儲一些采集過來的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明公開的基于FPGA的塔機自動安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過FPGA實現(xiàn)系統(tǒng)塔機側(cè)主 控單元，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場可編程門陣列的英文簡稱，是現(xiàn)在較為流行的一種系統(tǒng)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(nèi)核程序，大眾熟悉類C的編程語言， 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芯片，可以提供各 種不同的外圍接口；具有現(xiàn)場可編程特性，只要內(nèi)部的程序更改即可以改變其可執(zhí)行的功能， 方便日后的功能升級；此外，在確定FPGA完整的設計要求之后，可以投片生產(chǎn)專門的ASIC， 具有芯片產(chǎn)業(yè)化的潛在能力。FPGA的價格處于中下等價格水平位置，符合產(chǎn)品成本控制要 求，而且隨著業(yè)內(nèi)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(nèi)， 電子、通信、計算機等專業(yè)也能很容易的掌握其使用方法，后備技術(shù)力量充足。本發(fā)明采用 的FPGA用于實現(xiàn)塔機自動安全監(jiān)測系統(tǒng)中塔機側(cè)功能控制臺的主控單元，通過編程，對采 集卡輸入的各種傳感器數(shù)據(jù)進行分析處理，將數(shù)據(jù)在本側(cè)的存儲單元上進行存儲，同時通過 基于公用網(wǎng)絡的無線傳輸單元備份到控制室側(cè)，以便提供數(shù)據(jù)的后續(xù)分析、存儲等功能，通 過其各種外圍接口，實現(xiàn)鍵盤輸入、監(jiān)視器顯示等功能。
權(quán)利要求
1、基于FPGA的塔機自動安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括通過無線網(wǎng)絡(2)連接的塔機側(cè)功能控制臺(1)和控制室側(cè)功能控制臺(3)，塔機側(cè)功能控制臺(1)包括環(huán)境監(jiān)測單元(4)、起重信息監(jiān)測單元(5)、塔身基礎監(jiān)測單元(6)、小車信息監(jiān)測單元(7)、信息采集隔離整理單元(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(huán)境監(jiān)測單元(4)、起重信息監(jiān)測單元(5)、塔身基礎監(jiān)測單元(6)、小車信息監(jiān)測單元(7)分別單向連接于信息采集隔離整理單元(8)，其特征在于，塔機側(cè)功能控制臺(1)還包括基于FPGA的主控單元(9)，信息采集隔離整理單元(8)單向連接于基于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)分別雙向連接于基于FPGA的主控單元(9)。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于FPGA的塔機自動安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述基于 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、鼠標接口、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、鼠標接口、鍵盤接口、 USB接口、 RS232/485接口、電源、可編程I/0接口、總線接口和總線硬盤接口，看門狗、 FLASH、 RAM、顯示接口、鼠標接口、鍵盤接口、 USB接口、 RS232/485接口、電源、可編 程I/0接口、總線接口、總線硬盤接口分別與CPU連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種塔機監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)包括通過無線網(wǎng)絡連接的塔機側(cè)控制臺和控制室側(cè)控制臺，塔機側(cè)控制臺包括環(huán)境監(jiān)測單元、起重信息監(jiān)測單元、塔身基礎監(jiān)測單元、小車信息監(jiān)測單元、信息采集隔離整理單元、基于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，信息采集隔離整理單元單向連接于基于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于基于FPGA的主控單元。本發(fā)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，并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(wěn)、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(yōu)先權(quán)日2007年12月25日
發(fā)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(xiàn)場心理、現(xiàn)場物證鑒定研究學會