专利名称：起重设备实时工况采集与记录装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种起重设备实时工况的采集与记录装置。
背景技术：
移动式起重设备是建筑与维修作业中的重要设备，具有起重量大、移动方便、作业 效率高等特点。但吊装作业受环境因素(气象、地耐力等)、被吊物体结构、形状等物理特 性和操作者操作方法等因素的影响，当其中一个或多个因素发生改变时就会影响作业甚 至可能引发事故，因此吊装作业是一个风险程度较高的作业。为了规避风险国家颁布了 GB7950-1999《臂架型起重机起重力矩限制器通用技术条件》、《汽车起重机和轮胎起重机安 全规程》、《特种设备安全监察条例》等一系列政策强制在这类设备上使用安全保护装置，因 此各吊装设备生产厂家都为其生产的起重设备安装了力矩限制器。力矩限制器于上世纪60年代初开始出现机械式力矩限制器，发展至今历经机 械与继电器、模拟电子、数字电子、微处理器几个发展阶段，全球主要生产供应商是德国 HIRSCHMANN集团，它下辖HIRSCHMANN、PAT、KRuGER三个品牌。国内外著名起重机品牌如 LIEBHERR, DEMAG, GROVE、TADANO, KATO, ZPMC、长江、徐工、浦源等所配置的力矩限制器大多 采用定制采购或合作开发的方法获得。这类力矩限制器功能强大，保护能力出色，这类产品 中具有代表性的有LIEBHERR的控制系统、GROVE的EKS4系统等。这类系统都能实时反映 起重设备即时工况并提供完整的保护方案，但也存在着一个共同的弱点即不具备工况数据 存储功能，不能对设备运行的历史数据进行查询，一旦发生问题就不能依据历史数据对设 备运行状态进行判定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种起重设备实时工况采集与记录装置，用以 解决起重设备的安全保护系统不具备数据存储功能，不能对设备运行的历史数据进行查询 的不足，为起重设备的运行状态和故障分析提供了原始的数据依据。为解决上述技术问题，本发明起重设备实时工况采集与记录装置包括起重设备力 矩限制器的串行接口和起重设备机载电源，还包括数据处理模块、电源模块、数据采集模 块、数据传输模块、程序烧录模块、实时时钟模块、上电复位模块、系统调试与仿真模块和数 据存储模块，所述电源模块的输入端连接所述机载电源的输出端，所述电源模块的输出端 分别连接所述数据处理模块、数据采集模块、数据传输模块、程序烧录模块、实时时钟模块、 上电复位模块、系统调试与仿真模块和数据存储模块的电源端并提供工作电源；所述数据 处理模块通过数据线分别连接所述数据采集模块、数据传输模块、程序烧录模块、实时时钟 模块、上电复位模块、系统调试与仿真模块和数据存储模块；所述数据采集模块的输入端连 接所述串行接口。上述的电源模块包括24V至5V转换模块和5V至3. 3V转换模块，所述24V至5V转 换模块的输入端连接所述机载电源的输出端，所述24V至5V转换模块的输出端分别连接所述5V至3. 3V转换模块和数据传输模块的电源输入端，所述5V至3. 3V转换模块的输出端 分别连接所述数据处理模块、数据采集模块、程序烧录模块、实时时钟模块、上电复位模块、 系统调试与仿真模块和数据存储模块的电源输入端。上述的数据采集模块包括两组光耦电路和非门电路，所述两组光耦电路的输入端 连接所述串行接口，所述两组光耦电路的输出端连接所述数据处理模块，所述两组光耦电 路分别构成数据采集的主通道和辅助通道。上述的数据传输模块是USB数据下载和上传模块，其包括USB芯片、晶震XTAL2、跳 线JP4、跳线JP5、USB接口和相关阻容元件，所述USB芯片连接所述数据处理模块，所述USB 接口通过相关阻容元件、跳线JP4和跳线JP5连接所述USB芯片，所述晶震通过相关阻容元 件连接所述USB芯片。上述的程序烧录模块包括通信接口芯片、RS232接口、跳线JP2和相关电容元件， 所述RS232接口和相关电容元件连接所述通信接口芯片，所述通信接口芯片连接和通过所 述跳线JP2连接所述数据处理模块。上述的实时时钟模块包括时钟芯片、锂电池和相关阻容元件，所述锂电池和阻容 元件连接所述时钟芯片，所述时钟芯片连接所述数据处理模块并提供时钟信号。上述的上电复位模块包括微处理器管理芯片和相关阻容元件，所述相关阻容元件 连接所述微处理器管理芯片，所述微处理器管理芯片连接所述数据处理模块并提供复位信号。上述的系统调试与仿真模块包括JTAG连接插座和相关电阻元件，所述相关电阻 元件连接所述JTAG连接插座，所述JTAG连接插座连接所述数据处理模块。上述的数据存储模块包括四块存储芯片、与非门电路和相关电阻元件，所述相关 电阻元件和与非门电路的输入端分别连接所述四块存储芯片，所述与非门电路的输出端连 接所述数据处理模块，所述四块存储芯片以串行方式连接所述数据处理模块。上述的数据处理模块包括微控制器芯片、相关阻容元件、发光二极管、跳线JPl和 晶震XTAL1，所述相关阻容元件、发光二极管、跳线JPl和晶震XTALl连接所述微控制器芯 片，所述晶震提供所述微控制器芯片的工作时钟脉冲，所述发光二极管构成所述微控制器 芯片的工作状态指示电路，所述跳线JPl组成数据烧录与正常工作状态的切换电路。
由于本发明起重设备实时工况采集与记录装置采用了上述技术方案，即采用数据 采集模块连接设于起重设备力矩限制器上的串行接口，数据采集模块的数据输入数据处理 模块，采集的数据经数据处理模块处理后存储于数据存储模块，同时数据处理模块还分别 连接有数据传输模块、程序烧录模块、实时时钟模块、上电复位模块和系统调试与仿真模 块；数据传输模块用于相关数据的下载和上传；程序烧录模块用于将数据处理模块的工作 程序烧录固化在微控制器中；实时时钟模块用于提供数据采集模块所需的实时时钟信息； 上电复位模块用于提供整个系统的初始化复位信号，该初始化设置为数据采集做好准备， 不涉及实时时钟模块的时钟信息和数据存储模块内保存的数据；系统调试与仿真模块是为 系统调试预留的接口，使用该接口可使用外部设备对系统程序进行仿真和调试，保证系统 的可靠性，节省系统开发和调试的时间和成本；本装置还采用电源模块连接机载电源并提 供本装置各模块的电源。本装置解决了起重设备的安全保护系统不具备数据存储功能的问 题，及不能对设备运行的历史数据进行查询的不足，为起重设备的运行状态和故障分析提供了原始的数据依据。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明图1为本发明起重设备实时工况采集与记录装置的原理框图，图2为本装置的数据采集模块的示意图，图3为本装置的数据传输模块的示意图，图4为本装置的程序烧录模块的示意图，图5为本装置的实时时钟模块的示意图，图6为本装置的上电复位模块的示意图，图7为本装置的系统调试与仿真模块的示意图，图8为本装置的数据存储模块的示意图，图9为本装置的数据处理模块的示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明起重设备实时工况采集与记录装置包括起重设备力矩限制器 的串行接口 14和起重设备机载电源13，还包括数据处理模块2、电源模块1、数据采集模块 3、数据传输模块4、程序烧录模块5、实时时钟模块6、上电复位模块7、系统调试与仿真模块 9和数据存储模块8，所述电源模块1的输入端连接所述机载电源13的输出端，所述电源模 块1的输出端分别连接所述数据处理模块2、数据采集模块3、数据传输模块4、程序烧录模 块5、实时时钟模块6、上电复位模块7、系统调试与仿真模块9和数据存储模块8的电源端 并提供工作电源；所述数据处理模块2通过数据线分别连接所述数据采集模块3、数据传输 模块4、程序烧录模块5、实时时钟模块6、上电复位模块7、系统调试与仿真模块9和数据存 储模块8 ；所述数据采集模块3的输入端连接所述串行接口 14。上述的电源模块1包括24V至5V转换模块11和5V至3. 3V转换模块12，所述24V 至5V转换模块11的输入端连接所述机载电源13的输出端，所述24V至5V转换模块11的 输出端分别连接所述5V至3. 3V转换模块12和数据传输模块4的电源输入端，所述5V至 3. 3V转换模块12的输出端分别连接所述数据处理模块2、数据采集模块3、程序烧录模块 5、实时时钟模块6、上电复位模块7、系统调试与仿真模块9和数据存储模块8的电源输入 端。本电源模块1采用DC-DC开关隔离电源将机载24V直流电压变换成5V直流电压供系 统使用，系统需要的3. 3V电压由5V至3. 3V转换模块12提供，同时电源模块1中还包含了 滤波消耦电路。如图2所示，上述的数据采集模块包括两组光耦电路31和非门电路32，所述两组 光耦电路31的输入端连接所述串行接口 14，所述两组光耦电路31的输出端连接所述数据 处理模块，所述两组光耦电路31分别构成数据采集的主通道和辅助通道，平时使用主通道 进行数据采集，辅助通道为系统冗余通道。数据采集模块由串联在力矩限制器串行接口 14内的光耦电路6N137、非门电路 HC14及相关元件组成数据采集模块将力矩限制器工作数据截取并处理后输入至数据处理 模块的P0. 1端口完成信号采集工作。
如图3所示，上述的数据传输模块是USB数据下载和上传模块，其包括USB芯片 41、晶震XTAL2、跳线JP4、跳线JP5、USB接口 42和相关阻容元件，所述USB芯片41连接所 述数据处理模块，所述USB接口 42通过相关阻容元件、跳线JP4和跳线JP5连接所述USB 芯片41，所述晶震XTAL2通过相关阻容元件连接所述USB芯片41。
USB芯片41采用PDIUSBD12芯片，其功能是通过USB接口 42连接外部设备进行数 据下载或上传，并实时时钟同步。数据传输模块由USB 芯片、电阻 Rl3、R23、R24、R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31、 电容C21、C22、震荡晶体XTAL2、发光二极管LED2、接插件J4、跳线JP4、JP5组成。由震荡 晶体XTAL2、电容C21、C22提供芯片工作时钟，由电阻R30、LED2指示工作状态，由JP4、JP5 选择数据传输方式，当JP4、JP5的1、2脚连接时数据传输通过芯片进行传输，传输速率快， 当JP4、JP5的2、3脚连接时数据通过数据处理模块P0. 26、P0. 27 口传输，传输速率较慢。 将芯片的第1脚连接至数据处理模块的Pl. 16 口、将芯片的第2脚连接至数据处理模块的 Pl. 17 口、将芯片的第3脚连接至数据处理模块的Pl. 18 口、将芯片的第4脚连接至数据处 理模块的Pl. 19 口、将芯片的第6脚连接至数据处理模块的Pl. 20 口、将芯片的第7脚连接 至数据处理模块的Pl. 21 口、将芯片的第8脚连接至数据处理模块的Pl. 22 口、将芯片的第 9脚连接至数据处理模块的Pl. 23 口、将芯片的第14脚连接至数据处理模块的P0. 15 口、将 芯片的第12脚连接至数据处理模块的Pl. 24 口、将芯片的第15脚连接至数据处理模块的 P0. 28 口、将芯片的第16脚连接至数据处理模块的P0. 29 口、将芯片的第28脚连接至数据 处理模块的Po. 30 口、将JP4的第3脚连接至数据处理模块的P0. 26 口、将JP5的第3脚连 接至数据处理模块的P0. 27 口、将电阻R25与R26的连接点连接至数据处理模块的P0. 19 口，完成数据传输模块与数据处理模块的连接，实现数据传输功能和实时时钟同步功能。如图4所示，上述的程序烧录模块包括通信接口芯片51、RS232接口 52、跳线JP2 和相关电容元件，所述RS232接口 52和相关电容元件连接所述通信接口芯片51，所述通信 接口芯片51连接和通过所述跳线JP2连接所述数据处理模块。程序烧录模块由通信接口芯片51、电容C4、C5、C6、C7、C8、C9、RS232接口 52、跳线 JP2组成，其中通信接口芯片51为SP3223集成电路，C4-C9为工作电容，烧录数据由RS232 接口 52输入芯片51的9、16脚，将芯片51的12脚连接至数据处理模块的p0. 0端口，将芯 片51的10脚通过跳线JP2连接至数据处理模块的P0. 1端口，配合数据处理模块的JPl跳 线完成数据烧录工作。如图5所示，上述的实时时钟模块包括时钟芯片61、锂电池62和相关阻容元件，所 述锂电池62和阻容元件连接所述时钟芯片61，所述时钟芯片61连接所述数据处理模块并 提供时钟信号。实时时钟模块由时钟电路DS3221及附属电路组成，提供数据采集模块需要实时 时钟信息。时钟信息由时钟电路DS3221的SCL、SDA两个管脚连接输出至数据处理模块 P0. 2P 0.3端口完成实时时钟信息输入。如图6所示，上述的上电复位模块包括微处理器管理芯片71和相关阻容元件，所述相关阻容元件连接所述微处理器管理芯片71，所述微处理器管理芯片71连接所述数据 处理模块并提供复位信号。微处理器管理芯片71为SP708R电路，阻容元件为电阻R6、R7、电容C10、C11，复位信号nRST由SP708R电路的第7脚输出。如图7所示，上述的系统调试与仿真模块包括JTAG连接插座91和相关电阻元件，所述相关电阻元件连接所述JTAG连接插座91，所述JTAG连接插座91连接所述数据处理模 块。相关电阻元件由排阻ICRl和RlO电阻组成，通过排阻ICRl将JTAG连接插座91的第 5、7、9、13脚上拉至3. 3V，通过RlO下拉0电平。同时将连接插座的第3脚与数据处理模块 的Pl. 31 口、连接插座的第5脚与数据处理模块的Pl. 28 口、连接插座的第7脚与数据处理 模块的Pl. 30 口、连接插座的第9脚与数据处理模块的Pl. 29 口、连接插座的第11脚与数 据处理模块的Pl. 26 口、连接插座的第13脚与数据处理模块的Pl. 7 口、连接插座的第15 脚与数据处理模块的57脚reset 口连接。如图8所示，上述的数据存储模块包括四块存储芯片81、与非门电路82和相关电 阻元件，所述相关电阻元件和与非门电路82的输入端分别连接所述四块存储芯片81，所述 与非门电路82的输出端连接所述数据处理模块，所述四块存储芯片81以串行方式连接所 述数据处理模块。四块存储芯片81为AT45DB642芯片，与非门电路82为74HC12芯片，其 功能是将数据处理模块处理后的信息储存在芯片中供日后下载。数据存储模块由四块储存芯片81、与非门电路82芯片、电阻Rll、R12、R14、R15、 R17、R18、R20、R21组成，采集的信息经处理后储存在四块AT45DB642芯片中，AT4OTB642芯 片采用串行方式接入数据处理模块，即将四块AT45DB642芯片的时钟SCK/CLK管脚并联后 接入数据处理模块的P0. 4 口提供工作时钟，将四块AT45DB642芯片的输入SI管脚并联后 接入数据处理模块的P0. 6 口完成信号输入，将四块AT45DB642芯片的输出SO管脚并联后 接入数据处理模块的P0. 5 口完成信号输出，将四块AT45DB642芯片的工作状态指示管脚 RDY/NBUSY分别后接入与非门电路74HC20N的9、10、12、13管脚由8脚输入至AT4OTB642芯 片的P0. 13 口完成储存器工作状态的判别，再将四块AT45DB642芯片的片选CS脚，分别接 入数据处理模块的P0. 7,P0. 10,P0. 12,P0. 18 口完成片选，将四块AT45DB642芯片中nRESET 端即第2管脚连接至上电复位电路的nRST输出端，这样就实现采集数据的储存。如图9所示，上述的数据处理模块包括微控制器芯片21、相关阻容元件、发光二 极管LED3、跳线JPl和晶震XTAL1，所述相关阻容元件、发光二极管LED3、跳线JPl和晶震 XTALl连接所述微控制器芯片21，所述晶震XTALl提供所述微控制器芯片21的工作时钟脉 冲，所述发光二极管LED3构成所述微控制器芯片21的工作状态指示电路，所述跳线JPl组 成数据烧录与正常工作状态的切换电路。本模块的微控制器芯片21选用飞利浦公司的ARM系列2136CPU，它具有高速数据 处理、宽温度范围、功能齐全的特点，带有I2c、RS232、SPI、RTC实时时钟等功能，由2136cpu 和附属器件组成的中央处理器模块完成采集数据的运算处理工作。电容C11、C12、C13、C14、 C15、C16、C17、C18、C19、C20，电阻 R8、R9、R19、R22，发光二极管 LED3，震荡晶体 XTAL1，跳线 JPl连接2136CPU芯片。其中由XTALl晶体频率为11. 0259M并与C18、C19、R8组成震荡电 路提供2136CPU芯片工作时钟脉冲，电容ClU C12、C13、C14、C15、C16、C17、C20为滤波和 去耦电容提高系统稳定性，R19和LED3为工作状态指示电路，R9、C20、JPl组成烧录与正常 工作切换电路。本发明起重设备实时工况采集与记录装置采用数据采集模块连接设于起重设备 力矩限制器上的串行接口，数据采集模块的数据输入数据处理模块，采集的数据经数据处理模块处理后存储于数据存储模块，同时数据处理模块还分别连接有数据传输模块、程序 烧录模块、实时时钟模块、上电复位模块和系统调试与仿真模块；数据传输模块用于相关数 据的下载和上传；程序烧录模块用于将数据处理模块的工作程序烧录固化在微控制器中； 实时时钟模块用于提供数据采集模块所需的实时时钟信息；上电复位模块用于提供整个系 统的初始化复位信号，该初始化设置为数据采集做好准备，不涉及实时时钟模块的时钟信 息和数据存储模块内保存的数据；系统调试与仿真模块是为系统调试预留的接口，使用该 接口 可使用外部设备对系统程序进行仿真和调试，保证系统的可靠性，节省系统开发和调 试的时间和成本；本装置还采用电源模块连接机载电源并提供本装置各模块的电源。本装 置解决了起重设备的安全保护系统不具备数据存储功能的问题，及不能对设备运行的历史 数据进行查询的不足，为起重设备的运行状态和故障分析提供了原始的数据依据。
权利要求
一种起重设备实时工况采集与记录装置，包括起重设备力矩限制器的串行接口和起重设备机载电源，其特征在于还包括数据处理模块、电源模块、数据采集模块、数据传输模块、程序烧录模块、实时时钟模块、上电复位模块、系统调试与仿真模块和数据存储模块，所述电源模块的输入端连接所述机载电源的输出端，所述电源模块的输出端分别连接所述数据处理模块、数据采集模块、数据传输模块、程序烧录模块、实时时钟模块、上电复位模块、系统调试与仿真模块和数据存储模块的电源端并提供工作电源；所述数据处理模块通过数据线分别连接所述数据采集模块、数据传输模块、程序烧录模块、实时时钟模块、上电复位模块、系统调试与仿真模块和数据存储模块；所述数据采集模块的输入端连接所述串行接口。
2.根据权利要求1所述的起重设备实时工况采集与记录装置，其特征在于所述电源 模块包括24V至5V转换模块和5V至3. 3V转换模块，所述24V至5V转换模块的输入端连 接所述机载电源的输出端，所述24V至5V转换模块的输出端分别连接所述5V至3. 3V转换 模块和数据传输模块的电源输入端，所述5V至3. 3V转换模块的输出端分别连接所述数据 处理模块、数据采集模块、程序烧录模块、实时时钟模块、上电复位模块、系统调试与仿真模 块和数据存储模块的电源输入端。
3.根据权利要求1所述的起重设备实时工况采集与记录装置，其特征在于所述数据 采集模块包括两组光耦电路和非门电路，所述两组光耦电路的输入端连接所述串行接口， 所述两组光耦电路的输出端连接所述数据处理模块，所述；两组光耦电路分别构成数据采 集的主通道和辅助通道。
4.根据权利要求1所述的起重设备实时工况采集与记录装置，其特征在于所述数据 传输模块是USB数据下载和上传模块，其包括USB芯片、晶震XTAL2、跳线JP4、跳线JP5、USB 接口和相关阻容元件，所述USB芯片连接所述数据处理模块，所述USB接口通过相关阻容元 件、跳线JP4和跳线JP5连接所述USB芯片，所述晶震通过相关阻容元件连接所述USB芯片。
5.根据权利要求1所述的起重设备实时工况采集与记录装置，其特征在于所述程序 烧录模块包括通信接口芯片、RS232接口、跳线JP2和相关电容元件，所述RS232接口和相 关电容元件连接所述通信接口芯片，所述通信接口芯片连接和通过所述跳线JP2连接所述 数据处理模块。
6.根据权利要求1所述的起重设备实时工况采集与记录装置，其特征在于所述实时 时钟模块包括时钟芯片、锂电池和相关阻容元件，所述锂电池和阻容元件连接所述时钟芯 片，所述时钟芯片连接所述数据处理模块并提供时钟信号。
7.根据权利要求1所述的起重设备实时工况采集与记录装置，其特征在于所述上电 复位模块包括微处理器管理芯片和相关阻容元件，所述相关阻容元件连接所述微处理器管 理芯片，所述微处理器管理芯片连接所述数据处理模块并提供复位信号。
8.根据权利要求1所述的起重设备实时工况采集与记录装置，其特征在于所述系统 调试与仿真模块包括JTAG连接插座和相关电阻元件，所述相关电阻元件连接所述JTAG连 接插座，所述JTAG连接插座连接所述数据处理模块。
9.根据权利要求1所述的起重设备实时工况采集与记录装置，其特征在于所述数据 存储模块包括四块存储芯片、与非门电路和相关电阻元件，所述相关电阻元件和与非门电 路的输入端分别连接所述四块存储芯片，所述与非门电路的输出端连接所述数据处理模块，所述四块存储芯片以串行方式连接所述数据处理模块。
10.根据权利要求1所述的起重设备实时工况采集与记录装置，其特征在于所述数据 处理模块包括微控制器芯片、相关阻容元件、发光二极管、跳线JPl和晶震XTAL1，所述相关 阻容元件、发光二极管、跳线JPl和晶震XTALl连接所述微控制器芯片，所述晶震提供所述 微控制器芯片的工作时钟脉冲，所述发光二极管构成所述微控制器芯片的工作状态指示电 路，所述跳线JPl组成数据烧录与正常工作状态的切换电路。
全文摘要
本发明公开了一种起重设备实时工况采集与记录装置，其包括力矩限制器的串行接口和机载电源，还包括数据处理模块、电源模块、数据采集模块、数据传输模块、程序烧录模块、实时时钟模块、上电复位模块、系统调试与仿真模块和数据存储模块；电源模块的输入端连接机载电源的输出端，电源模块的输出端分别连接各模块的电源端并提供工作电源；数据处理模块通过数据线分别连接数据采集模块、数据传输模块、程序烧录模块、实时时钟模块、上电复位模块、系统调试与仿真模块和数据存储模块；数据采集模块的输入端连接所述串行接口。本装置采集和记录设备实时工况数据，为设备运行状态和故障分析提供了原始的数据依据。
文档编号B66C13/16GK101837928SQ200910047940
公开日2010年9月22日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者张炳晨, 张耀华, 李松, 韩念东 申请人:上海宝钢设备检修有限公司