专利名称：基于fpga的塔机自动安全监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种塔机安全监控系统，尤其涉及一种基于FPGA的塔机自动安全监控 系统。
技术背景现有的塔机监控系统主要是采用单片计算机、工控机、PLC、 ARM作为其监控系统 的主控单元，主控单元是整个系统的核心部件，承担着信息融合、处理、分析、存储、 传输等功能。所以，作为主控单元首先应该具备强大的数据处理功能，其次由于系统各 种信息来自不同的传感器单元，且为了实现存储、输出、键盘、显示等功能，也就必须 提供丰富的外围电路接口，这又对主控单元提出了包括处理速度、接口能力在内的较为 复杂的要求。作为单片机，不管处理能力上以及外围接口能力上均是受到其处理速度限 制的；PLC是工业控制中比较常用的设备，但是其优势往往体现在能够直接控制工业设 备方面，在处理能力上并没有什么优势，而且熟悉PLC的工程师比较少，往往是自动化 专业的，那么就给后期的维护使用带来的限制；工控机和ARM比较贵，主要是其操作系 统，在成本控制方面处于劣势。 发明内容本发明的目的是提供一种基于FPGA的塔机自动安全监控系统，采用FPGA作为塔 机侧主控单元，具有处理能力强、成本低的优点。 为了达到上述目的，本发明的技术方案如下基于FPGA的塔机自动安全监控系统，包括通过无线网络2连接的塔机侧功能控制 台1和控制室侧功能控制台3，塔机侧功能控制台1包括环境监测单元4、起重信息监测 单元5、塔身基础监测单元6、小车信息监测单元7、信息采集隔离整理单元8、存储单 元10、输出控制单元ll、可扩展键显单元12和无线传输单元13，其中，环境监测单元 4、起重信息监测单元5、塔身基础监测单元6、小车信息监测单元7分别单向连接于信 息采集隔离整理单元8，其特征在于，塔机侧功能控制台1还包括基于FPGA的主控单 元9，信息采集隔离整理单元8单向连接于基于FPGA的主控单元9，存储单元IO、输 出控制单元11、可扩展键显单元12、无线传输单元13分别双向连接于基于FPGA的主 控单元9。上述基于FPGA的主控单元9包括主控单元板和FPGA，主控单元板上设有电源、 ROM、 RAM、 FLASH、显示接口、鼠标接口、键盘接口、 USB接口、 RS232/485接口、JTAG接口和不同的总线接口， FPGA包括CPU、看门狗、FLASH、 RAM、显示接口、 鼠标接口、键盘接口、 USB接口、 RS232/485接口、电源、可编程I/0接口、总线接口 和总线硬盘接口，看门狗、FLASH、 RAM、显示接口、鼠标接口、键盘接口、 USB接口 、 RS232/485接口、电源、可编程I/0接口、总线接口、总线硬盘接口分别与CPU连接。本发明的有益效果是减少了塔机使用安全事故，提高了塔机运行的安全性，并且能满 足用户对塔机控制方面的需求，使塔机运行更安全、更平稳、更有效。
图1是本发明基于FPGA的塔机自动安全监控系统的组成框图。 图2是本发明基于FPGA的塔机侧功能控制台组成框图。 图3是本发明的控制室侧功能控制台组成框图。 图4是本发明基于FPGA的主控单元的组成框图。图中1、塔机侧功能控制台，2、无线网络，3、控制室侧功能控制台，4、环境监测单 元，5、起重信息监测单元，6、塔身基础监测单元，7、小车信息监测单元，8、信息采集隔 离整理单元，9、基于FPGA的主控单元，10、存储单元，11、输出控制单元，12、可扩展 键显单元，13、无线传输单元，14、无线传输单元，15、数据处理单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细地描述如图1至图4所示，基于FPGA的塔机自动安全监控系统包括塔机侧功能控制台1和 控制室侧功能控制台3，塔机的各种工作信息是通过塔机侧功能控制台1进行釆集、分析、 存储，并通过无线网络2传输到控制室侧功能控制台3，进行数据的备份存储，以及后续的 各种处理。塔机侧功能控制台l由环境监测单元4、起重信息监测单元5、塔身基础监测单元6、小 车信息监测单元7、信息采集隔离整理单元8、基于FPGA的主控单元9、存储单元10、输 出控制单元11、可扩展键显单元12和无线传输单元13组成。基于FPGA的主控单元9通过 信息采集隔离整理单元8，从包含着各种传感器的环境监测单元4、起重信息监测单元5、塔 身基础监测单元6、小车信息监测单元7中采集各种塔机实时的运行信息，包括现场环境、 小车泰幅、起重重量、塔身倾斜等信息，将这些信息在其内部进行各种分析以及处理，并且 通过双向连接，将数据一方面存入存储单元10中， 一方面通过无线传输单元13和无线传输 单元14构成的无线传输网，进行无线数据传输，将数据备份到控制室侧；而且基于FPGA 的主控单元9还可以根据需要，将信息采集隔离整理单元8采集来的信息经过处理后，在可 扩展键显单元12上实时显示出来，并且通过可扩展键显单元12也可实现数据的设置；在满 足控制要求时，基于FPGA的主控单元9向输出控制单元11发出控制命令，通过输出控制 单元ll控制塔机运行，使得塔机处于本系统的监控之下，提高其运行的安全性。控制室侧功能控制台3由无线传输单元14和数据处理单元15组成，基于FPGA的主控 单元9通过RS232/RS485接口与无线传输单元13连接，并与无线传输单元14、数据处理单 元15构成一个无线传输收发系统，数据通过无线传输单元13无线发送出去，在无线传输单 元14中进行接收，并通过RS232/RS485接口送到数据处理单元15中去，进行数据的备份以 及后续处理。相反地，各种信息也可以通过无线传输单元14发送，在无线传输单元13中进行接收， 通过无线传输单元13与基于FPGA的主控单元9之间的双向连接，把信息送到主控单元9 中处理，以便实现从控制室侧对塔机侧的远程控制。如图4所示，基于FPGA的主控单元9由主控单元板和FPGA组成，主控单元板上提供 电源、ROM、 RAM、 FLASH等存储器件，还提供了显示、鼠标、键盘、USB、 RS232/485、 JTAG以及不同的接口总线等接口电路，而FPGA实现芯片的逻辑控制功能，利用其可编程 特性，在芯片上CPU CORE通过指令运算实现系统的各种功能，并且通过编程实现软件看门 狗电路，保证系统的正常工作特性，通过编程实现显示、鼠标、键盘、USB、 RS232/485、 JTAG 以及不同的接口总线等接口，用于连接外部的各种信息单元，形成完整的数据流。具体而言， 总线接口用来接收信息采集整理隔离单元8传输过来的各种传感器信息，并且将其送达FPGA 中进行处理；总线硬盘接口则是用于连接工业级硬盘等存储单元IO，用于数据的存储；芯片 上实现的显示、鼠标、键盘、RS232/485接口则分别对应连接于显示器、鼠标、键盘，即可 扩展键显单元12和无线传输单元13;可编程I/O接口则连接了输出控制单元11，用于输出 控制之用，而JTAG、 USB接口用于对FPGA的在线编程，其中USB也可以连接USB接口 的FLASH作为存储单元之用。数据信息从信息采集整理隔离单元8经过总线送到基于FPGA的主控单元9相应的总线 接口，送到CPU CORE中进行数据处理，同时，数据也可以通过基于总线硬盘接口，或者 USB接口送到存储单元10中进行存储，经过处理以后，根据所需，CPU CORE可以实时通 过相应的可扩展键显接口 12实现显示功能，通过输出控制单元11实现输出控制功能，以及 通过无线传输单元13实现无线传输功能，也可以将存储单元10中的历史数据通过无线传输 单元13传送到控制室侧；看门狗则负责监控CPU CORE的程序执行，在程序跑飞的时候自 动实现系统复位，保证系统程序正常运行。CPU CORE中的程序可以通过JTAG或者USB接 口写入，此夕卜，USB接口也可以用于连接存储单元IO作存储接口之用；ROM、 RAM、 FLASH 是为了满足系统运行所需而提供的存储单元，也可以临时存储一些采集过来的数据。
本发明公开的基于FPGA的塔机自动安全监控系统主要是通过FPGA实现系统塔机侧主 控单元，FPGA是现场可编程门阵列的英文简称，是现在较为流行的一种系统可编程方案。 FPGA的其特点是编程简单，具有各种方便使用的内核程序，大众熟悉类C的编程语言， 简化了编程过程；接口丰富，在FPGA片上或者配合一些外部专用的接口芯片，可以提供各 种不同的外围接口；具有现场可编程特性，只要内部的程序更改即可以改变其可执行的功能， 方便日后的功能升级；此外，在确定FPGA完整的设计要求之后，可以投片生产专门的ASIC， 具有芯片产业化的潜在能力。FPGA的价格处于中下等价格水平位置，符合产品成本控制要 求，而且随着业内对FPGA了解的不断深入，会使用FPGA的人越来越多，包括自动化在内， 电子、通信、计算机等专业也能很容易的掌握其使用方法，后备技术力量充足。本发明采用 的FPGA用于实现塔机自动安全监测系统中塔机侧功能控制台的主控单元，通过编程，对采 集卡输入的各种传感器数据进行分析处理，将数据在本侧的存储单元上进行存储，同时通过 基于公用网络的无线传输单元备份到控制室侧，以便提供数据的后续分析、存储等功能，通 过其各种外围接口，实现键盘输入、监视器显示等功能。
权利要求
1、基于FPGA的塔机自动安全监控系统，包括通过无线网络(2)连接的塔机侧功能控制台(1)和控制室侧功能控制台(3)，塔机侧功能控制台(1)包括环境监测单元(4)、起重信息监测单元(5)、塔身基础监测单元(6)、小车信息监测单元(7)、信息采集隔离整理单元(8)、存储单元(10)、输出控制单元(11)、可扩展键显单元(12)和无线传输单元(13)，其中，环境监测单元(4)、起重信息监测单元(5)、塔身基础监测单元(6)、小车信息监测单元(7)分别单向连接于信息采集隔离整理单元(8)，其特征在于，塔机侧功能控制台(1)还包括基于FPGA的主控单元(9)，信息采集隔离整理单元(8)单向连接于基于FPGA的主控单元(9)，存储单元(10)、输出控制单元(11)、可扩展键显单元(12)、无线传输单元(13)分别双向连接于基于FPGA的主控单元(9)。
2、 如权利要求1所述的基于FPGA的塔机自动安全监控系统，其特征在于，所述基于 FPGA的主控单元(9)包括主控单元板和FPGA，主控单元板上设有电源、ROM、 RAM、 FLASH、显示接口、鼠标接口、键盘接口、 USB接口、 RS232/485接口、 JTAG接口和不同 的总线接口， FPGA包括CPU、看门狗、FLASH、 RAM、显示接口、鼠标接口、键盘接口、 USB接口、 RS232/485接口、电源、可编程I/0接口、总线接口和总线硬盘接口，看门狗、 FLASH、 RAM、显示接口、鼠标接口、键盘接口、 USB接口、 RS232/485接口、电源、可编 程I/0接口、总线接口、总线硬盘接口分别与CPU连接。
全文摘要
本发明涉及一种塔机监控系统，该监控系统包括通过无线网络连接的塔机侧控制台和控制室侧控制台，塔机侧控制台包括环境监测单元、起重信息监测单元、塔身基础监测单元、小车信息监测单元、信息采集隔离整理单元、基于FPGA的主控单元、存储单元、输出控制单元、可扩展键显单元和无线传输单元，信息采集隔离整理单元单向连接于基于FPGA的主控单元，存储单元、输出控制单元、可扩展键显单元、无线传输单元分别双向连接于基于FPGA的主控单元。本发明的有益效果是减少了塔机使用安全事故，提高了塔机运行的安全性，并且能满足用户对塔机控制方面的需求，使塔机运行更安全、更平稳、更有效。
文档编号G05B19/048GK101211170SQ200710159319
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月25日 优先权日2007年12月25日
发明者娇 刘, 爽 吴, 军 孟, 宋利民, 浩 李, 阳 李, 厦 杨, 王旭东, 王立军, 魏玉玲 申请人:大连海事大学;锦州市现场心理、现场物证鉴定研究学会