CN102541037A

CN102541037A - 工程机械车辆联网应用的凿岩钻车车载终端装置

Info

Publication number: CN102541037A
Application number: CN2012100392742A
Authority: CN
Inventors: 刘云海; 童辰辰; 苏建林
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种工程机械车辆联网应用的凿岩钻车车载终端装置。该车载终端装置主要由主处理器板与从处理器板通过CAN总线相连组成，实现了远程数据通信及车辆联网控制等功能；本发明的车载终端极大提高了凿岩钻车的自动化、智能化及联网服务水平，而且也适用于其它用途的工程作业车辆，具有广泛的应用，是未来工程车辆车载终端的发展方向。

Description

工程机械车辆联网应用的凿岩钻车车载终端装置

技术领域

本发明属于矿山机械、工程机械车辆、大型装备制造领域，涉及一种具有联网及自动化控制功能的凿岩钻车车载终端装置。

背景技术

工程机械车辆包括挖掘机、旋挖钻机、凿岩钻机、装载机、起重机、压桩机、压路机、推土机等等各种工程车辆，属于高端装备制造业。在重大工程建设、矿山开采等领域发挥巨大作用。随着技术的发展，工程机械车辆的发展趋势是自动化、电子化、智能化、信息化。当前现有工程机械车辆在控制自动化、人机交互显示等方面都有不足，导致机器控制复杂，实时数据不能按需求显示，这都给操作人员带来一定困难；同时当前现有工程机械车辆的远程数据通信、车辆联网控制等功能都不太完善，管理人员无法及时掌握车辆信息并对车辆进行远程控制，不能够有效地管理联网车辆。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种工程机械车辆联网应用的凿岩钻车车载终端装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种工程机械车辆联网应用的凿岩钻车车载终端装置，它主要由主处理器板与从处理器板通过CAN总线相连组成；其中，所述主处理器板包括：主处理器、SPI FLASH、NAND FLASH、DDR芯片、2G/3G通信模块、GPS模块、显示模块、倾角传感器和电源模块等；SPI FLASH、NAND FLASH、DDR芯片、2G/3G通信模块、GPS模块、显示模块、倾角传感器和电源模块均与主处理器相连；所述从处理器板包括：从处理器、控制模块、开关量采集模块、模拟信号采集模块、倾角传感器、凿岩孔深测量模块和电源模块等；所述控制模块、开关量采集模块、模拟信号采集模块、倾角传感器、凿岩孔深测量模块和电源模块均与从处理器相连。

本发明的有益效果是，本发明工程机械车辆联网应用的凿岩钻车车载终端装置创新地使用了双处理器系统架构设计，提高了联网车载终端的抗干扰能力，并保证控制的实时性要求，实现了车辆的远程数据传输、联网控制和人机交互显示等功能，提高凿岩钻车系统的自动化和信息化水平。本发明的车载终端也适用于其它用途的工程作业车辆，具有广泛的应用，是未来工程车辆车载终端的发展方向。

附图说明

图1为工程车辆终端及服务器连接示意图；

图2为主处理器板硬件框图；

图3为主处理器与显示模块的连接示意图；

图4为主处理器板工作流程图；

图5为正常工作状态下主处理器板工作流程图；

图6为程序维护状态下主处理器板工作流程图；

图7为从处理器板硬件框图；

图8为1路输出控制电路原理图；

图9为1路开关量采集电路原理图；

图10为1路电阻型模拟信号采集电路原理图；

图11为1路电压型模拟信号采集电路原理图；

图12为1路电流型模拟信号采集电路原理图；

图13为从处理器板工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施实例对本发明作进一步说明。

1.系统整体框架

如图1所示，本发明车载终端装置主要由主处理器板与从处理器板通过CAN总线相连组成。主处理器板负责建立和维护远程数据连接、GPS定位、人机交互显示、凿岩钻车车身倾角数据采集和程序维护等功能。从处理器板负责凿岩钻车的自动化控制系统：包括开关量和模拟信号的采集、控制凿岩钻车动作的开关量的输出以及凿岩钻车钻臂倾角数据和凿岩孔深数据的采集处理。并将凿岩钻车实时数据传递给主处理器板。主处理板和从处理器板之间采用CAN总线连接。主处理器板与服务器之间建立远程数据连接。

本发明采用双处理器架构的目的是将钻车的控制系统与车载终端装置的其他部分隔离开来，减少其他部分对控制系统的干扰，保证凿岩钻车控制系统的正常工作。

2.主处理器板的硬件系统

图2说明主处理器板的硬件结构，主处理器板包括：主处理器、SPI FLASH、NAND FLASH、DDR芯片、2G/3G通信模块、GPS模块、显示模块、倾角传感器和电源模块；其中，SPI FLASH、NAND FLASH、DDR芯片、2G/3G通信模块、GPS模块、显示模块、倾角传感器和电源模块均与主处理器相连。

如图2所示，主处理器U11可以采用ADI公司的ADSP-BF54X DSP芯片，但不限于此。ADSP-BF54X系列处理器支持多达4个同步串行端口，多达2个CAN总线接口，多达152个通用IO端口，支持16位或24位LCD屏接口，支持USB接口等。

GPS模块通过RS232接口与主处理器U11的UART1端口相接，主处理器U11通过GPS模块获取凿岩钻车的位置信息。2G/3G通信模块通过RS232接口或USB接口与主处理器U11的UART0或USB端口相接，主处理器U11通过2G/3G通信模块建立和维护远程数据连接。2G/3G模块与GPS模块可以采用SIMCOM公司的SIM5X8C系列模块设计，但不限于此。

倾角传感器用来测量车身的倾斜角度，通过RS485接口与主处理器U11的UART2端口相接。主处理器U11的UART3端口配置为RS232接口，程序维护时可以与电脑端串口相连接。

DDR芯片U15可以采用MICRON公司的MT46V32M16系列芯片，但不限于此；NAND FLASH U14可以采用SAMSUNG公司的K9F2G08U0A系列芯片，但不限于此；SPI FLASH U13可以采用STMicroelectronics公司的M25P80系列芯片，但不限于此。

如图3所示，显示模块包含一块LCD屏和一个按键键盘。LCD屏分辨率为640×480，是数字接口。主处理器U11输出至LCD屏的有PPI0D0- PPI0D17共18根数据线、PPI0CLK时钟线以及PPI0FS1、PPI0FS2行场同步线，LCD屏帧率可调节。主处理器U11的PPI1D8-PPI1D15共8个引脚被配置为KeyPad输入模式，用于连接按键键盘，最多可以组成4×4的按键键盘。LCD屏可以采用友达公司的G057VN01V1系列芯片，但不限于此。按键键盘为普通矩阵式扫描键盘。

图4说明主处理器板的工作流程。上电后主处理器U11进行初始化，包括外围模块初始化配置，关键信息读取、建立与外围模块的通信与数据传输。初始化后检测SWITCH开关状态，如果为高，则车载终端进入正常工作状态；如果为低，则车载终端进入程序维护状态。

图5说明正常工作状态下主处理器板工作流程。工作流程如下，

（1）建立与服务器的远程连接。

（2）显示开机画面。

（3）采集数据，包括GPS数据，车身倾角数据以及从处理器板通过CAN总线传来的凿岩钻车实时数据；处理数据，判断数据是否超出安全范围，如果有则存储报警信息。

（4）更新显示屏显示的实时数据，如果有新的报警信息则显示相应报警信息。

（5）接收并解析服务器传来的远程命令。

（6）处理远程命令，服务器传来的远程命令包括三种类型：数据采集命令、参数修改命令、动作控制命令，针对不同命令，主处理器板做不同处理。

（7）检测用于人机交互的按键输入。

（8）更新显示画面，然后再跳至第2步。

图6说明程序维护状态下主处理器板的工作流程。此时主处理器板应与电脑端串口相连，主处理器U11接收并解析串口命令，然后更新程序与本地参数。

3.从处理器板的硬件系统

图7说明从处理器板的硬件结构，从处理器板包括：从处理器、控制模块、开关量采集模块、模拟信号采集模块、倾角传感器、凿岩孔深测量模块和电源模块；其中，控制模块、开关量采集模块、模拟信号采集模块、倾角传感器、凿岩孔深测量模块和电源模块均与从处理器相连。

如图7所示，从处理器U21可以采用STMicroelectronics公司的STM32F103X系列芯片，但不限于此。STM32F103X是一款基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，支持多达112个I/O端口，多达3个12位AD转换器，支持USB接口与CAN总线接口。

控制模块具有32路输出控制电路，输出的信号用来控制凿岩钻车做出相应动作；开关量采集模块具有32路开关量采集电路，用来采集接近开关、按钮开关、拨动开关等开关量信号，从处理器U21根据采集到的开关量信号输出相应的控制信号。每一路输出控制电路和每一路开关量采集电路均与从处理器U21的IO引脚之间采用光耦器件相连，以减少外围电路对从处理器U21的干扰，保证其正常工作。图8和图9分别为1路输出控制电路原理图和1路开关量采集电路原理图。如图8所示，OUT端连接从处理器U21 IO引脚，KEY_OUT端为控制输出端，U1为光耦器件。如图9所示，IN端连接从处理器U21 IO引脚，KEY_IN端可以连接接近开关、按钮开关、拨动开关等，U2为光耦器件。图8和图9中所用光耦器件可用NEC公司的P2501光耦，但不限于此。

模拟信号采集模块具有32路模拟信号采集电路，每一路模拟信号采集电路均与从处理器U21的AD端口相连。模拟信号采集电路一般有电阻型、电压型和电流型三种采集电路，在本发明中，16路模拟信号采集电路被配置成6路电阻型采集电路、5路电压型采集电路、5路电流型采集电路，用来采集凿岩钻车的电瓶电压、油温、水温、排气气压、柴油压力等数据。图10至图12分别为1路电阻型模拟信号采集电路、1路电压型模拟信号采集电路、1路电流型模拟信号采集电路。如图10至图12所示，AIN1、AIN2、AIN3 与从处理器U21 AD端口相连，电阻型模拟信号采集电路可以根据不同传感器输入电阻范围调整电阻R1、R2、R6的值以满足输入要求，电压型模拟信号采集电路可以根据不同传感器输入电压范围调整电阻R15、R16值以满足输入要求，电流型模拟信号采集电路可以根据不同传感器输入电流范围调整电阻R24值以满足输入要求。图中U3、U4、U5可以采用MICROCHIP公司的MCP6V02运算放大器，但不限于此。

倾角传感器通过RS485接口与从处理器U21的UART0端口相连，用来测量凿岩钻车的推进角度。

凿岩孔深测量模块包含一个拉绳位移传感器与相应采集电路，通过测量拉绳位移传感器的拉绳位移量来计算凿岩孔深。凿岩孔深测量模块与从处理器U21的AD端口相连。

图13说明从处理器板的工作流程。工作流程如下，

（1）开机初始化。

（2）采集并处理数据，包括开关量输入数据、模拟信号输入数据、钻臂倾角数据以及凿岩孔深数据；根据相应输入信号输出控制信号。

（3）将钻车实时数据通过CAN总线发送至主处理器板。

（4）接收主处理器板通过CAN总线发送的已解析的远程动作控制命令，并输出相应控制信号；然后再跳至第2步。

4.电源模块结构

主处理器板和从处理器板的电源模块采用相同设计，考虑到车载发电机组输出的电源波动和干扰，前端电源采用保护电路，抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压；热敏电阻用于过流保护；共模电感用于消除共模干扰；二级管用于反向电压保护。前端电源保护电路确保电源输入端任何可能出现的干扰不会对后端电源电路产生影响。采用隔离电源模块可以有效消除输入电压干扰，保证车载终端装置的稳定工作。

5.整个车载终端装置的工作流程如下：

（1）凿岩钻车启动时，主处理器U11与从处理器U21各自进行初始化，包括外围模块初始化配置，关键信息读取、建立与外围模块的通信与数据传输。

（2）初始化完成后，主处理板检测SWITCH开关状态，若开关状态为高，则车载终端进入正常工作状态。正常工作状态下主处理器板完成以下功能：

（A）建立并维护与服务器的远程通信。当完成开机初始化，主处理器板首先建立与服务器的远程连接，然后一直解析收到的服务器端命令并做相应处理。服务器发送的命令包括三种类型：数据采集命令、参数修改命令、动作控制命令。

（B）采集与处理凿岩钻车实时数据。采集的数据包括主处理器板的GPS模块数据，车身倾角数据以及从处理器板通过CAN总线传来的数据，同时将这些数据在LCD屏实时显示，并判断数据是否超过预先设置的安全值，如果超过则在LCD屏上显示相应报警信息。

（C）响应按键输入并在LCD屏上显示相应界面。LCD屏显示的信息有钻车工作模式，钻车各项实时数据，钻车当前报警信息以及以往报警信息。操作人员可以使用按键切换不同的显示界面。

正常工作状态下从处理器板完成以下功能：

（A）采集开关量输入数据、模拟信号输入数据、推进角度数据以及凿岩孔深数据，对采集的数据进行处理，通过输出控制电路完成相应动作控制。

（B）将采集的数据通过CAN总线发送给主处理器板；接收主处理器板通过CAN总线发送的已解析的远程动作控制命令，并完成相应动作控制。

（3）若SWITCH开关状态为高，则车载终端进入程序维护状态。此时主处理器板应与电脑串口相连接，从处理器板不工作。主处理器板接收并解析串口命令，然后更新相应程序与本地参数。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种工程机械车辆联网应用的凿岩钻车车载终端装置，其特征在于，它主要由主处理器板与从处理器板通过CAN总线相连组成；其中，所述主处理器板包括：主处理器、SPI FLASH、NAND FLASH、DDR芯片、2G/3G通信模块、GPS模块、显示模块、倾角传感器和电源模块等；SPI FLASH、NAND FLASH、DDR芯片、2G/3G通信模块、GPS模块、显示模块、倾角传感器和电源模块均与主处理器相连；所述从处理器板包括：从处理器、控制模块、开关量采集模块、模拟信号采集模块、倾角传感器、凿岩孔深测量模块和电源模块等；所述控制模块、开关量采集模块、模拟信号采集模块、倾角传感器、凿岩孔深测量模块和电源模块均与从处理器相连。