機房升降設(shè)備扭矩檢測裝置

陳兵，許國泰，余景原

（上海市信息網(wǎng)絡(luò)有限公司，上海 200081）

0 引言

扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動的一種特殊的力矩。IDC升降設(shè)備中的發(fā)動機的扭矩就是指發(fā)動機從曲軸端輸出的力矩。在功率固定的條件下它與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越快扭矩越小，反之越大，它反映了升降設(shè)備在一定范圍內(nèi)的負載能力。

通信機房中，各種通信設(shè)備的位置和連接有一整套的規(guī)范和流程，對于各種環(huán)節(jié)的設(shè)備擺放位置會有需求。而高昂的造價和沉重的質(zhì)量，對于升降設(shè)備的可靠性就提出了極為嚴苛的要求。目前對于升降設(shè)備的操作主要取決于操作人員的經(jīng)驗，沒有經(jīng)驗的操作人員可能會對設(shè)備造成不可逆的損傷[1-3]。故對于升降設(shè)備的主要動力部件電機的幾類關(guān)鍵參數(shù)（扭矩、轉(zhuǎn)速和角度）需要進行監(jiān)測。并在此基礎(chǔ)上，對操作人員進行提示或者直接進行反饋干預(yù)，保證升降設(shè)備的正確運行。把所有操作的參數(shù)上傳到PC上，對整個通信機房現(xiàn)場進行操作歷史保存，以便有事故時可以回溯查驗操作數(shù)據(jù)。

1 機房升降設(shè)備扭矩檢測裝置的系統(tǒng)設(shè)計

機房升降設(shè)備扭矩檢測裝置的系統(tǒng)主要分為輸入環(huán)節(jié)，控制環(huán)節(jié)和輸出反饋環(huán)節(jié)三部分組成。

輸入環(huán)節(jié)包含扭矩傳感器、3路高速光耦隔離數(shù)字輸入、16路普通光耦隔離數(shù)字輸入以及一片AD轉(zhuǎn)換芯片ADS85611。扭矩傳感器安裝在升降設(shè)備上，與電機驅(qū)動軸同軸，以便采樣扭矩信號和轉(zhuǎn)速信號。因不同的升降設(shè)備的電機轉(zhuǎn)速、扭矩測量范圍都有所不同，故本系統(tǒng)采用的扭矩傳感器為應(yīng)變片型扭矩傳感器，采樣的信號為數(shù)字頻率信號。故輸入環(huán)節(jié)采用了3路高速光電隔離模塊和16路普通光電隔離模塊進行傳輸。由于采用了電信號隔離技術(shù)進行設(shè)計，故本系統(tǒng)可以同時支持3路扭矩信號的輸入，包含一臺升降設(shè)備的3個方向（水平、前后和上下）的電機扭矩測量。普通光電隔離通道用于采樣電機轉(zhuǎn)速、角度等次要參數(shù)的輸入，這部分參數(shù)扭矩傳感器也會以脈沖的形式輸出[4]。為了系統(tǒng)便于擴展不同的扭矩傳感器的輸出信號，故預(yù)留了3路AD數(shù)模轉(zhuǎn)換接口，以防升降設(shè)備更換扭矩傳感器，得到的輸出信號為模擬量，為系統(tǒng)的擴展做好準備。

控制環(huán)節(jié)包含兩大單元：CPLD和ARM。另外，由于采樣的數(shù)據(jù)較多，在CPLD和ARM外部還連接有一塊SDRAM，用于對數(shù)據(jù)的暫存。輸入信號的處理主要由CPLD來進行轉(zhuǎn)換，主要對高速信號進行分頻并計數(shù)，再把處理好的信號直接存入SDRAM中。ARM則主要負責(zé)對上位機的指令（USB或UART）進行解析，并按要去讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)信息進行上傳。在擴展部分，若ADC和DAC進行工作時，負責(zé)控制相關(guān)的外設(shè)進行采樣和反饋控制[5]。

在輸出反饋環(huán)節(jié)，主要是在系統(tǒng)扭矩數(shù)據(jù)異?；蛘呓邮盏缴衔粰C的指令，要求對扭矩傳感器或者電機驅(qū)動器進行控制時，進行數(shù)字量的反饋輸出。以免系統(tǒng)產(chǎn)生過載危險。

圖1是本文的機房升降設(shè)備扭矩檢測裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 機房升降設(shè)備扭矩檢測裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system structure diagram of the torque detecting device of the lifting equipment in the engine room

2 機房升降設(shè)備扭矩檢測裝置的硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的硬件部分主要包含電源、處理器電路、CPLD電路、存儲器模塊、ADC模塊、輸入輸出隔離模塊以及通信模塊。以下簡要介紹。

2.1 電源電路

本系統(tǒng)所需電源眾多，采用的電源模塊是WT-1050D，輸出為 5V3A、12V2A、22V0.5A。另DC-DC轉(zhuǎn)換有5V轉(zhuǎn)3.3V2A、5V轉(zhuǎn)1.8V2A、12V轉(zhuǎn)±12V?？梢詽M足諸如SDRAM、ADC轉(zhuǎn)換芯片等應(yīng)用。

2.2 處理器電路

處理器選用ATMEL生產(chǎn)的AT91SAM7S512工業(yè)級ARM7處理器。該處理器是32位RISC架構(gòu)的高穩(wěn)定性工業(yè)現(xiàn)場芯片，自帶SDRAM總線控制器，方便本系統(tǒng)擴展使用。

2.3 CPLD電路

本系統(tǒng)采用的邏輯處理單元選用Altera的MAX II CPLD，MAX II CPLD是功耗最低、成本最低的CPLD。MAX II CPLD基于突破性的體系結(jié)構(gòu)，在所有CPLD系列中，其單位I/O引腳的功耗和成本都是最低的。超高性能，以一半的價格實現(xiàn)四倍的密度，支持高達300 MHz的內(nèi)部時鐘頻率。

2.4 存儲器模塊

本系統(tǒng)的存儲器采用SDRAM的方式構(gòu)建，以便更快的吞吐數(shù)據(jù)而又不必掉電后存儲數(shù)據(jù)，完全滿足系統(tǒng)的需求。SDRAM 芯片選用MT48LC16M16A2P，容量256Mbit，滿足至少8路的扭矩數(shù)據(jù)吞吐量，為系統(tǒng)擴展留了余地[6]。MT48LC16M16A2P地址總線使用14位，數(shù)據(jù)總線16位，與ARM7的接口連接簡單，簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

2.5 ADC模塊

ADC模塊主要用來滿足升降設(shè)備的新型扭矩傳感器的接口。ADC芯片采用ADS8556。ADS8556包含6個低功耗，16位逐次逼近寄存器（SAR）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有真正的雙極性輸入。每個信道包含一個取樣與保持電路，允許同時高速多通道信號的采集[7]。

ADS8556支持并行接口模式下高達730 kSPS的數(shù)據(jù)速率。并行接口的總線寬度可被設(shè)置為16位。在高速采樣模式下，該ADC模塊可以滿足系統(tǒng)的要求[8]。

2.6 輸入輸出隔離模塊

本系統(tǒng)設(shè)計了傳輸隔離模塊以防系統(tǒng)在外接外部設(shè)備時，出現(xiàn)內(nèi)外部電源的不匹配引起的EMC甚至電氣安全問題。本系統(tǒng)使用3路6N137作為高速光耦隔離器進行扭矩方波的采樣。轉(zhuǎn)換速率可達10Mbit/s,滿足高速傳輸?shù)囊?。其余的輔助隔離光耦采用TLP521-4，該光耦速度較低，滿足一般需求即可[9]。

2.7 通信模塊

本系統(tǒng)中，ARM與上位機通信采用USB或者UART方式，因ARM處理器本身帶有USB controller，故外部只需要連接USB PHY芯片即可。USB PHY使用USBLC6-2SC6。UART使用SP3232EN作為電平轉(zhuǎn)換芯片，使UART得TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。

3 固件設(shè)計

3.1 扭距檢測流程

固件實現(xiàn)方式主要還是圍繞著對于PC端主控命令來處理。而CPLD接收的扭矩傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)一律暫存在SDRAM中，ARM不去獲取并置位，該數(shù)據(jù)將全部保留[10]。而對于讀取數(shù)據(jù)的方式一律采用中斷方式讀取，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性并與SDRAM中的數(shù)據(jù)保持平衡。總的來說，扭矩檢測的主流程還是比較直觀，沒有過多的需要算法介入。

檢測流程中，固件主要實現(xiàn)如下主要功能。

（1）實時讀取A/D 值，頻率500kHz，支持多種模式（瞬時值、平均值）

（2）實時數(shù)字輸出控制

（3）實時讀取數(shù)字輸入狀態(tài)（500kHz）

（4）輸入輸出聯(lián)動設(shè)置

（5）USB、串口支持

（6）LED 狀態(tài)顯示（電源、工作、輸出）

（7）采集數(shù)據(jù)緩存（錄波功能）

（8）事件記錄（數(shù)字輸入、輸出狀態(tài)變化；A/D異常值）

（9）參數(shù)保存

（10）計數(shù)器模式

圖2 機房升降設(shè)備扭矩檢測裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The system structure diagram of the torque detecting device of the lifting equipment in the engine room

3.2 CPLD高速計數(shù)

設(shè)計中，比較重要的一塊是CPLD對于扭矩傳感器發(fā)送的高速脈沖信號進行計數(shù)并分頻，并把數(shù)據(jù)存入SDRAM中。本設(shè)計利用4組74393鎖存器和4組74244搭建32位計數(shù)器電路，對高速脈沖進行串并轉(zhuǎn)換，輸出32位的脈沖數(shù)，并通過并口電路存入SDRAM中。32位高速計數(shù)器邏輯單元請見下圖3。

圖3 32位高速計數(shù)器邏輯圖Fig.3 32-bit High speed counter logic diagram

3.3 系統(tǒng)狀態(tài)機

系統(tǒng)固件的另一個重要組成部分為狀態(tài)機切換機制。因升降設(shè)備不是長時間工作的，為了節(jié)省系統(tǒng)功耗，并增加系統(tǒng)的魯棒性，設(shè)計了一套狀態(tài)機機制。該狀態(tài)機機制的切換取決于通過上位機的指令來分辨，默認方式為USB驅(qū)動。系統(tǒng)狀態(tài)機轉(zhuǎn)換如下圖4所示。

圖4 系統(tǒng)狀態(tài)機轉(zhuǎn)換圖Fig.4 System state machine transition diagram

4 結(jié)論

通信機房升降設(shè)備扭矩檢測裝置目前已經(jīng)在通信機房應(yīng)用，取得了比較好的效果。在PC主機上，可以一目了然的觀察到升降設(shè)備的扭矩、轉(zhuǎn)速及各種異常值，對于設(shè)備的工作情況和點檢起到了提前指導(dǎo)功能。下一步，將對機房的升降設(shè)備扭矩檢測進行升級，以無線的方式來讀取數(shù)據(jù)和下發(fā)指令，令整個機房的設(shè)備可以統(tǒng)一納入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，并以數(shù)據(jù)庫的形式記錄下每臺設(shè)備的運行情況，會給整個機房的管理帶來更多的優(yōu)越性。