CN1474242A - 工程机械监控器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式工程机械监控器，包括对监控器发出指令的管理中心，上传信息给监控器的下位机，所述的监控器由壳体、设在壳体正面板上的显示器、操作键盘，设在壳体侧面板上的电源接口、串口、USB口、JIAG口、CAN口、电源开关、复位开关，以及安装在壳体内的电路板组成，其电路硬件结构采用基于ARM架构的32位嵌入式微处理器为内核，外围扩展了大容量内存以及键盘接口电路、液晶屏接口电路、CAN总线接口电路、RS232接口电路、USB接口电路，软件结构采用源代码开放的实时操作系统μC/OS－II。本发明的监控器具有较高集成度和性价比的，结构简单，能用较为经济的组合方式实现满足智能化要求的工程机械监控。

Description

工程机械监控器

                             技术领域

本发明涉及对工程机械进行控制的一种监控设备，具体地说是指一种嵌入式工程机械监控器。

                             背景技术

现有的工程机械监控器均采用可编程PLC，内部需要多个单片机控制电路，电路结构复杂，并且多个单片机之间进行数据交互，降低了系统的可靠性；并且系统实现的功能比较简单，人机交互能力差，从而导致了工作的效率比较低；另外，现有的工程机械监控器过于专用，难以用于各种工程机械上，昂贵的费用导致了成本的提高。

                             发明内容

本发明的目的在于提供一种基于嵌入式系统的，具有较高集成度和性价比的，结构简单，能用较为经济的组合方式实现满足智能化要求的工程机械监控器。该监控器可以对工程机械自身的工作状态进行监控，并在LCD上进行实时显示，同时可以对工程机械的状态信息进行处理，具有故障诊断和自动报警的功能。此外也可以通过GSM网接收管理中心指令、显示并执行管理中心发出的控制指令。工程机械监控器软件结构采用了一种公开源代码的实时多任务内核μC/OS-II，在μC/OS-II的上层扩展了文件管理系统、图形用户接口和监控器底层硬件的驱动程序，如存储器系统、UART、CAN总线、USB总线、LCD显示等，建立了一个适合嵌入式工程机械监控器使用的实时操作系统，为用户提供了一种开放的操作系统平台和用户程序接口。

本发明的一种嵌入式工程机械监控器，包括对监控器发出指令的管理中心，上传信息给监控器的下位机，所述的监控器由壳体、设在壳体正面板上的显示器、操作键盘，设在壳体侧面板上的电源接口、串口、USB口、JIAG口、CAN口、电源开关、复位开关，以及安装在壳体内的电路板组成，其电路硬件结构采用基于ARM架构的32位嵌入式微处理器为内核，外围扩展了大容量内存以及键盘接口电路、液晶屏接口电路、CAN总线接口电路、RS232接口电路、USB接口电路，软件结构采用源代码开放的实时操作系统μC/OS-II。

所述的监控器带有CAN总线通信接口，可以通过CAN总线通信方式，与同一工程机械其它控制设备组成网络分布式控制系统。

所述的监控器通过ARM处理器对多任务进行调度，实现以下几个功能：通过CAN总线接口接收下位机的控制信息以及短距离无线模块的信息，由GPS模块获得摊铺机的位置信息，并通过GSM通讯模块将摊铺机的控制信息、位置信息和无线模块的信息发送到管理中心，同时GSM通讯模块还接收管理中心的信息，从而实现了监控器与下位机和管理中心的通信；监控器还接收键盘的输入信息，实现对摊铺机的控制；通过液晶屏将以上信息实时地显示在液晶屏上。

同现有技术相比，本发明的优点是：采用了具有高速性能和丰富接口资源的32位ARM微处理器，具有集成度高，电路结构简单的特点，同时在源码公开的实时操作系统μC/OS-II基础上，建立了一个适合嵌入式工程机械监控器使用的实时操作系统，降低了成本。本系统还具有内核小、实时性强、稳定可靠等突出优点，非常适合在工程机械的现场恶劣条件下运行。基于嵌入式系统的设计结构，有利于构建通用型的监控器，提高监控器的应用效率。

                            附图说明

图1是本发明的前面板结构框图。

图2是本发明电路板结构框图。

图3是本发明功能结构框图。

图4是本发明CAN总线功能结构框图。

图5是本发明显示器功能结构框图。

图6是本发明处理器电路原理图。

图7是本发明外部接口电路原理图。

图8是本发明CAN总线电路原理图。

图9是本发明显示器电路原理图。

图10是显示器界面效果图。

图中：1.壳体  2.键盘  3.显示器  4.电路板

                          具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请见附图1、2所示，本发明是一种嵌入式工程机械监控器，包括对监控器发出指令的管理中心，上传信息给监控器的下位机。所述的监控器由壳体1，设在壳体1正面板上的显示器3、操作键盘2，设在壳体1侧面板上的电源、串口、USB口、JIAG口、CAN口、电源开关、复位开关，以及安装在壳体1内的电路板4组成。其监控器内的电路硬件结构采用基于ARM架构的32位嵌入式微处理器为内核，外围扩展了大容量内存以及键盘接口电路、液晶屏接口电路、CAN扩展总线接口电路、RS232接口电路、USB接口电路，软件结构采用一种公开源代码的实时多任务内核μC/OS-II。

请见附图3、6、7所示，本发明的微处理器芯片采用基于ARM7TDMI内核的型号为S3C44B0X的芯片。ARM微处理器U3的1-4、137、140-151、153-160端是CPU的地址总线对应连接到外围设备接口电路的地址端，119-136端是系统的数据总线对应连接到外围设备接口电路的数据输入端，91-94端是控制信号对应连接LCD接口J16的6-9端，95-98、111-114端是数据信号对应连接LCD接口J16的14-11、15-18端，99、100、103、104端是系统的两路串行口对应连接U2的12、11、9、10端，42-46端经JTAG电路处理后连接到14针接口J1的3、9、7、5、11端，11-16端是CPU的读写信号对应连接到CAN总线电路的读写控制端，7、8端对应连接到U13的8M SDRAM芯片的控制信号18、17端，9、47、67端连接3.3V电源，17端对应连接到U6、U7的22片选端，19端对应连接到U9的1片选端，20端对应连接到CAN_U6的55片选端，21、34、62、109、138端是系统电源连接2.5V，25、27、28端对应连接到U13的8M SDRAM芯片的19、37、38端，30、31端对应连接DMA的控制信号端，36端对应连接CAN_06的54端作为CAN总线控制器的外部中断信号，50端接复位芯片U4的RESET端，51端通过10K电阻接电源VDD33，52-54端通过串联晶振模式选择电路的10K电阻接地，64、65端连接外部晶振电路，66端对应连接外部时钟接口，69-72、115-118端对应连接16键键盘接口J2的5-8、4-1端，10、22、35、48、55、63、73、74、90、110、139端接地，5、6、26、29、32、33、37-41、49、56-61、68、101、102、105、106端悬空。所述的ARM微处理器是低功耗的32位核，具有丰富的接口资源，扩展了一系列完整的通用外围器件(USB接口，RS-232接口，JTAG调试口，CAN总线接口，以及键盘接口和LCD接口)，使系统费用降至最低，消除了增加附加配置的需要；另外，ARM微处理器扩展了大量的内存和16M硬盘存储空间，加快了CPU处理任务的速度，有利于系统的实时控制。

请见附图4、8所示，本发明的CAN总线控制芯片采用型号为SJA1000的芯片，总线收发器芯片采用型号为82C250的芯片，实现逻辑功能的芯片采用型号为GAL22V10的芯片，电平转换芯片采用型号为QS34X245的芯片。CAN总线接口电路由控制电路CAN_U2、收发器电路CAN_U5、逻辑功能电路CAN_U1、电平转换电路CAN_U6以及复位电路和晶振电路组成；其CAN_U6的50端对应连接CPU的3.3V总线信号端VCC，41-48端对应连接CPU的数据总线端136-129，54端对应连接CPU的中断信号36端，55端对应连接CPU的片选20端，61端对应连接CPU的复位信号50端，63-66端对应连接CPU的地址总线端160-157，CAN_U1通过控制片选信号和读写信号两次读写ARM总线，根据其逻辑关系分别将总线数据作为地址和数据，实现对SJA1000的寄存器操作。CAN总线连接下位机的监控器和短距离无线通信模块，能够快速地接收下位机和短距离无线通信模块的信息，对数据进行实时处理，并且保证了数据传输的高可靠性。

请见附图5、9所示，本发明的LCD显示器接口电路中，总线开关芯片采用型号为74HC07的芯片，对于背光的逆变器，采用TDK的配套产品，采用5V电源可以产生1000伏左右的交流信号。LCD接口电路包括26针液晶信号接口电路J4、总线开关电路J2、J3、上拉排阻电路J6、J7、18针液晶接口电路J1组成，J4的输入端对应连接CPU的LCD接口，所有的信号都是3.3V，经J2、J3电路后，输出信号通过上拉排阻电路J6、J7，将高逻辑电平提升到5V，通过J1连接液晶屏；其J2的1、3、5、9、11、13端对应连接J4的11、12、13、14、15、16端，J2的2、4、6、8、10、12端对应连接J6的2、3、4、5、6、7端，J3的1、3、5、9、11、13端对应连接J4的17、18、6、8、9、20端，J3的2、4端对应连接J6的8、9端，J3的6、8、10、12端对应连接J7的4、5、6、7端，J1的5-12端对应连接J6的9-2端，J1的13、14、15、16端对应连接J7的4、5、6、7端。所述的LCD接口用于连接彩色液晶屏，模式为320×240。

在本发明中的管理中心通过GPS、GSM同监控器建立信息联路。管理中心站下达任务指令包含有：摊铺厚度、摊铺宽度、横坡度、振捣速度、振动速度、摊铺速度(下位机以摊铺机为例)。

本发明的监控器固定在下位机的驾驶室内。下位机以摊铺机为例，上传数据给监控器包含有：左履带转速、右履带转速、发动机转速、振捣速度、振动速度、转向比率、摊铺混合料温度、滑移转向、自动转向、自动转向位置、前进、倒车、运输行驶、自动检测故障、计算机监测故障。

在本发明中的操作键盘有16个按键，其中包括0～9个数字键，6个功能键↑、↓、←、→、取消、确定。下面将以下位机是摊铺机为例，对操作键盘的按键进行说明，←、→键是显示界面切换，用来在主界面、系统指令信息界面、手动控制界面和历史纪录界面之间进行选择切换，↑、↓键用于功能选择，确定键用于对所选择的功能进行确定，取消键用于取消所选择的功能，0～9是数字参数输入键，也可用作用户自定义键。

本发明的监控器工作过程为：监控器安装于摊铺机的驾驶室内，固定在司机座位前方的面板上。当摊铺机启动后，接通监控器的电源，监控器开始工作。首先启动μC/OS-II操作系统，对系统进行初始化，通过CPU对监控器的任务进行调度。任务一：对串口进行扫描，并对数据请求进行处理，如果是GSM数据，则将数据信息直接发送到管理中心，如果是GPS数据，则将信息储存到一个数组中，由GSM处理程序提取。任务二：对CAN总线扫描，并对数据请求进行处理，接收摊铺机下位监控器的信息。任务三：对键盘进行扫描，对按键信息进行处理。任务四：液晶屏刷新。通过这几个任务的循环执行，就完成了监控器与管理中心和下位机的通信，并能将信息实时地显示在液晶屏上。

GPS-GSM定位系统：

过去大型施工的机群主要依靠施工者的经验进行配置，在施工过程中无法及时检测各单机的运行情况也无法采取相应调度措施。目前通讯技术快速发展，基于GPS全球定位系统和GSM远程通讯系统的通讯调度方式逐渐被很多移动设备采用，在工程机械方面，虽然有些国外的控制器已经具有了连接GPS、GSM模块的功能，但是它们一般需要采用控制器厂商提供特殊模块，价格昂贵，而且需要对控制器的底层软件作相应改动，没有厂方的技术人员无法实现。针对上述情况，嵌入式智能工程机械监控器自身配置了GPS-GSM远程定位通讯系统，专门用于移动定位并将目前工况参数情况实时发送给控制中心，并接收控制中心的调度指令。

(1).GPS的连接使用

监控器通过两个串行口分别连接GPS和GSM模块。GPS模块使用的是美国GARMIN公司生产的GARMIN15模块，外形尺寸只有23mm×41mm×7mm，可以直接焊在系统电路板上。但是由于GPS信号无法穿透固体障碍物，因此需要外置5m长的天线。

该模块外壳采用全金属屏蔽封装，具有很强的抗电磁干扰性和稳定性。模块上电后，通过串行口每秒发送地理位置信息，输出协议为标准的GPS协议NEMA0183。由于该模块的串行口电平为CMOS电平，而监控器接口电平为20mA电流环，所以在连接时需要使用一个MAX232芯片进行电平转换。

GPS模块实现的功能是可以实时地获取摊铺机的地理位置信息。实现过程如下：GPS模块与系统的串口1连接(如图3所示)，每秒钟向监控器发送信息。信息采用美国的NMEA0183 ASC II码协议，该协议为NAEA 0183 20版，协议每秒钟向串行口发送大约13条语句，除掉授时等冗余信息，剩余的最简特性语句GPRMC的第3、4、5、6个参数分别是纬度、纬度方向、经度、经度方向，即为系统需要的信息。协议格式如下：

$GPRMC，204700，A，3403.868，N，11709.432，W，001.9，336.9，170698，013.6，E*6E

判断时，系统软件首先判断协议头“$GPRMC”，然后设定读取标志，依次读取所需要的4个参数，获取这些信息后，系统将其储存到一个数组里，之后由GSM处理程序提取，经由GSM模块发送出去。串口采用查询方式，每接收一个字符提取一次。

(2).GSM的连接使用

考虑到路面工程机械施工距离可以达到30km、通讯频繁等特点，传统的无线电以及无线局域网等通讯方式难以对如此大的范围实现无缝覆盖，因此系统采用GSM公网的短消息作为通讯媒介。

模块使用国产的中兴ZXGM18无线双频调制解调器(如图3所示)，可以实现完整的语音传输，短消息和数据业务功能。

系统控制模块使用标准AT指令集，其中发送指令为“AT+CMGS＝”，读取指令为“AT+CMGR＝”，删除指令为“AT+CMGD＝”。监控器系统根据内部时钟每隔一定时间向控制中心发送一次短消息，消息内容包括以下参数：自动故障报警、计算机检测故障报警、人工输入故障和停机时间、行走速度、振动方式、转向方式和转向比率等。由于国内各大移动通讯公司发送的均为unicode格式的短消息，在每次发送时，需要软件将全部信息整合在一个数组中，然后将这个数组编码为unicode格式的数组。

GSM通讯部分分担的任务主要是通过使用GSM模块每分钟向管理中心发送本机信息，在故障等紧急情况下发送紧急信息，同时接收管理中心信息。通讯使用GSM模块的AT指令集，GSM模块直接与计算机的串口2相连(如图3所示)。向管理中心正常发送的消息格式有：自动检测故障、人工输入故障、预计停机时间、计算机监测故障、行走速度、发动机转速、振捣速度、振动速度、摊铺混合料温度、GPS定位信息，通过串行口发送信息。

监控器对数据处理：

数据处理部分包括对下位机(以摊铺机为例)监控器传送上来的信息进行处理，处理过程为：计算系统需要的参量，并且将需要发送的数据储存到指定的数组里，例如通过左轮转动速度和右轮转动速度计算出机体的速度，并且储存到速度数组中；还包括对串口接收到的数据进行处理，处理过程为：判断如果是GPS接收到的数据，就将其信息存储在指定的数组里，如果是GSM接收到的数据，就将其直接发送到管理中心；还包括对CAN总线接收到的数据进行处理，处理过程为：CAN总线对接收到的下位机的信息进行处理，并将其传送到微处理器，由微处理器负责任务的调度，同时CAN总线接收摊铺机发送给自卸车的指令，并对其进行数据处理，控制自卸车的运动。

LCD显示器：(以摊铺机为例)

为了完整的实现实时控制功能，本发明需要在界面上显示全部信息。故在LCD上分四个屏幕对信息进行显示：主界面，系统指令信息界面，手动控制界面以及历史纪录界面。本发明采用的LCD图形界面中，主界面负责显示系统报警和系统的状态参数，具体参数为：行走速度、振动速度、发动机转速、摊铺料温度、转向比率、转向方式；系统指令信息界面主要负责显示接收到的管理中心指令，具体指令为：电机转速、摊铺料速度、振动速度、行走速度、转向比率、GPS数据；手动控制界面负责设置刮雨器、蜂鸣器、GPS、GSM、空调、指示灯的开启和关闭；历史纪录界面负责纪录摊铺机的运行和通讯控制的时间，以及发生故障的状况(如图10所示)。

故障处理：

故障处理用于实时显示系统故障，并且将故障写入故障数组，通过短消息发送到管理中心去。这部分主要由两大部分内容组成，一部分是监测计算机故障和自动故障，另一部分是人工故障和停机时间输入。其中计算机故障和自动故障的监测是通过读取下位监控器的信息数组判断完成的，该程序在读取之后执行。人工输入故障则主要是通过键盘扫描进行的，通过键盘可以输入故障类型和需要停机的时间，并且将这些信息写入到数组中，通过短消息发送出去。

Claims (10)

1、一种嵌入式工程机械监控器，其特征在于：包括对监控器发出指令的管理中心，上传信息给监控器的下位机，所述的监控器由壳体、设在壳体正面板上的显示器、操作键盘，设在壳体侧面板上的电源接口、串口、USB口、JIAG口、CAN口、电源开关、复位开关，以及安装在壳体内的电路板组成，其电路硬件结构采用基于ARM架构的32位嵌入式微处理器为内核，外围扩展了大容量内存以及键盘接口电路、液晶屏接口电路、CAN总线接口电路、RS232接口电路、USB接口电路，软件结构采用源代码开放的实时操作系统μC/OS-II。

2、根据权利要求1所述的监控器，其特征在于：工程机械监控器软件结构采用了一种公开源代码的实时多任务内核μC/OS-II，在μC/OS-II的上层扩展了文件管理系统、图形用户接口和监控器底层硬件的驱动程序，如存储器系统、UART、CAN总线、USB总线、LCD显示等，建立了一个适合嵌入式工程机械监控器使用的实时操作系统，为用户提供了一种开放的操作系统平台和用户程序接口。

3、根据权利要求1所述的监控器，其特征在于：所述的监控器带有CAN总线通信接口，可以通过CAN总线通信方式，与同一工程机械其它控制设备组成网络分布式控制系统。

4、根据权利要求1所述的监控器，其特征在于：ARM微处理器U3的1-4、137、140-151、153-160端是CPU的地址总线对应连接到外围设备接口电路的地址端，119-136端是系统的数据总线对应连接到外围设备接口电路的数据输入端，91-94端是控制信号对应连接LCD接口J16的6-9端，95-98、111-114端是数据信号对应连接LCD接口J16的14-11、15-18端，99、100、103、104端是系统的两路串行口对应连接U2的12、11、9、10端，42-46端经JTAG电路处理后连接到14针接口J1的3、9、7、5、11端，11-16端是CPU的读写信号对应连接到CAN总线电路的读写控制端，7、8端对应连接到U13的8M SDRAM芯片的控制信号18、17端，9、47、67端连接3.3V电源，17端对应连接到U6、U7的22片选端，19端对应连接到U9的1片选端，20端对应连接到CAN_U6的55片选端，21、34、62、109、138端是芯片电源，连接2.5V，25、27、28端对应连接到U13的8M SDRAM芯片的19、37、38端，30、31端对应连接DMA的控制信号端，36端对应连接CA_U06的54端作为CAN总线控制器的外部中断信号，50端接复位芯片U4的RESET端，51端通过10K电阻接电源VDD33，52-54端通过串联晶振模式选择电路的10K电阻接地，64、65端连接外部晶振电路，66端对应连接外部时钟接口，69-72、115-118端对应连接16键键盘接口J2的5-8、4-1端，10、22、35、48、55、63、73、74、90、110、139端接地，5、6、26、29、32、33、37-41、49、56-61、68、101、102、105、106端悬空。

5、根据权利要求1所述的监控器，其特征在于：所述的微处理器芯片采用基于ARM内核的芯片，如型号为S3C44B0X的芯片。

6、根据权利要求1所述的监控器，其特征在于：CAN总线接口电路由控制电路CAN_U2、收发器电路CAN_U5、逻辑功能电路CAN_U1、电平转换电路CAN_U6以及复位电路和晶振电路组成；其CAN_U6的50端对应连接CPU的3.3V总线信号端VCC，41-48端对应连接CPU的数据总线端136-129，54端对应连接CPU的中断信号36端，55端对应连接CPU的片选20端，61端对应连接CPU的复位信号50端，63-66端对应连接CPU的地址总线端160-157，CAB_U1通过控制片选信号和读写信号两次读写ARM总线，根据其逻辑关系分别将总线数据作为地址和数据，实现对SJA1000的寄存器操作；CAN总线控制芯片采用型号如SJA1000的芯片，总线收发器芯片采用型号如82C250的芯片，实现逻辑功能的芯片采用型号如GAL22V10的芯片，电平转换芯片采用型号如QS34X245的芯片。

7、根据权利要求1所述的监控器，其特征在于：LCD接口电路包括26针液晶信号接口电路J4、总线开关电路J2、J3、上拉排阻电路J6、J7、18针液晶接口电路J1组成，J4的输入端对应连接CPU的LCD接口，所有的信号都是3.3V，经J2、J3电路后，输出信号通过上拉排阻电路J6、J7，将高逻辑电平提升到5V，通过J1连接液晶屏；其J2的1、3、5、9、11、13端对应连接J4的11、12、13、14、15、16端，J2的2、4、6、8、10、12端对应连接J6的2、3、4、5、6、7端，J3的1、3、5、9、11、13端对应连接J4的17、18、6、8、9、20端，J3的2、4端对应连接J6的8、9端，J3的6、8、10、12端对应连接J7的4、5、6、7端，J1的5-12端对应连接J6的9-2端，J1的13、14、15、16端对应连接J7的4、5、6、7端。

8、根据权利要求8所述的监控器，其特征在于：可选择的多种LCD模式，包括256色彩色LCD(320×240分辨率)、单色LCD(320×240分辨率)、灰度(320×240分辨率)等，总线开关芯片采用型号如74HC07的芯片，对于背光的逆变器，采用TDK的配套产品，采用5V电源可以产生1000伏左右的交流信号。

9、根据权利要求1所述的监控器，其特征在于：监控器通过处理器对多任务进行调度，实现以下几个功能：通过CAN总线接口接收下位机的控制信息以及短距离无线模块的信息，由GPS模块获得摊铺机的位置信息，并通过GSM通讯模块将摊铺机的控制信息、位置信息和无线模块的信息发送到管理中心，同时GSM通讯模块还接收管理中心的信息，从而实现了监控器与下位机和管理中心的通信；监控器还接收键盘的输入信息，实现对摊铺机的控制；通过液晶屏将以上信息实时地显示在液晶屏上。

10、根据权利要求1所述的监控器，其特征在于：其监控对象可以是挖掘机、摊铺机、推土机、平地机、压路机、装载机、工程起重机械、筑面机械、凿岩机械、混凝土机械等。

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