隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的深入，建筑業(yè)的不斷發(fā)展以及建筑主體高度的不斷攀升，塔式起重機(jī)作為高層建筑施工的主動(dòng)隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的深入，建筑業(yè)的不斷發(fā)展以及建筑主體高度的不斷攀升，塔式起重機(jī)作為高層建筑施工的主動(dòng)脈得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。同時(shí)其全問題日益增多，問題的種類日益多樣化，問題的難度和復(fù)雜度也在不斷急劇增加。塔機(jī)的安全問題是不容忽視的，而實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)工況參數(shù)的 實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控、預(yù)警是解決這些安全問題的關(guān)鍵所在，此外隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展及其在智能監(jiān)測中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)一款具有上述功能的基于嵌入式技術(shù)的塔機(jī)安全監(jiān)控是非常必要的。

      為了滿足用戶對控制系統(tǒng)各方面的需求，使塔機(jī)運(yùn)行更安全、更平穩(wěn)、更有效，世界各國都開始致力于以微型計(jì)算機(jī) 為核心的塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)的研制。在國內(nèi)目前主要存的 問題是系統(tǒng)價(jià)格昂貴、功能單一、可靠性差，人機(jī)交互性差。本設(shè)計(jì)將嵌入式微控制器和嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用在塔吊安全監(jiān)控裝置中，使系統(tǒng)在功能性、實(shí)時(shí)性、可靠性、擴(kuò)展性等方面得 到了提高。

    系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需求，依據(jù)數(shù)字化、多功能、簡約 化、低成本和高可靠性的計(jì)思路，結(jié)合國內(nèi)建筑機(jī)械安全監(jiān)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和未來系統(tǒng)功能擴(kuò)展的需求，在查閱大量國

內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料后，設(shè)計(jì)引入了嵌入式技術(shù)和 TFT-LCD 顯 示技術(shù)，將 ARM 與嵌入式 Linux 相結(jié)合，確定了相應(yīng)的硬件 及軟件平臺。 為了詳細(xì)、準(zhǔn)確地反映塔機(jī)的實(shí)時(shí)工作態(tài)，同時(shí)為塔機(jī)駕駛員提供良好的塔機(jī)運(yùn)行參數(shù)信息，在塔機(jī)運(yùn)行時(shí)需要監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)如下：提升高度、小車幅度、回轉(zhuǎn)角度、起吊重量 及風(fēng)速。塔機(jī)安全監(jiān)控裝置的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示，

首先這些信息需要通過相應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測，本系統(tǒng)采用的起吊重量傳感器為銷軸式傳感器，提升高度、小車幅度、回轉(zhuǎn)角 度傳感器為 DXZ 系列多功能行程限位器，風(fēng)速感器為三杯 式風(fēng)速傳感器，這些傳感器輸出信號傳輸給監(jiān)控儀表主機(jī)。本 儀表是一個(gè)能夠運(yùn)行操作系統(tǒng)的軟硬件綜合體。硬件部分主 要包括：中央處理單元、存儲單元以及外圍電路等。軟件部分 主要包括：Linux 嵌入式操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及基于 MiniGUI 的圖形用戶界面應(yīng)用程序等。儀表對信息進(jìn)行采集、 處理、存儲，并將塔機(jī)實(shí)時(shí)的狀態(tài)參數(shù)顯示在液晶屏上，此外 做出相應(yīng)的控制決策，聲光的預(yù)警及控制量的輸出等.

系統(tǒng)硬件電路部分的設(shè)計(jì)主要包括傳感器單元和監(jiān)控儀表單元。 3. 1 傳感器單元起吊重量傳感器采用銷軸式傳感器，軸銷傳感器實(shí)際上就是一根承受剪力作用的空心截面圓軸，雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在中心孔內(nèi)凹槽中心的位置上，在外力的作用下產(chǎn)生彈性形變，電阻應(yīng)變片隨同產(chǎn)生變形阻值也將發(fā)生變化，之后采用惠斯登電橋作為檢測電路，把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而完成外力變換為電信號輸出[4]。由于檢測電路輸出的信號均為毫伏級電壓信號，為了提高信號的傳輸距離和抗干擾性，在其后接一個(gè)變送器，將毫伏電壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的 0V～5V 電 壓信號。 提升高度、小車幅度、回轉(zhuǎn)角度傳感器采用 DXZ 系列多 能行程限位器。通常為了起到安全限位的作用，在塔吊的提 升、變幅、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中都裝有 DXZ 系列行程限位器。限位器和卷筒軸相聯(lián)，通過計(jì)算吊鉤最大高度和最小高度時(shí)卷筒卷繞的圈數(shù)，調(diào)整限位器凸輪機(jī)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到限位的目標(biāo)。將一精密電位計(jì)安裝在現(xiàn)有的電氣限位器中，其內(nèi)部為一個(gè)滑動(dòng)變阻器，在其兩端加恒定的電壓，中間的滑動(dòng)觸頭的輸出電壓就與其移動(dòng)成一個(gè)線性的比例關(guān)系，從而起到對高度、幅度、角 度測量的作用。風(fēng)速傳感器采用三杯式風(fēng)速傳感器，其感應(yīng)元件是三杯風(fēng)組件，由三個(gè)風(fēng)杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)和狹縫光 耦。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光 耦中的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器輸出為 0V～5V 電壓信號。

監(jiān)控儀表單元 監(jiān)控儀表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括了中央處理單元模塊、 電源模塊、AD 采集模塊、TFT 液晶屏和觸摸屏模塊、存儲模 塊、繼電器輸出模塊、音頻輸出模塊及 RS232 和 RS485 總 線、USB、SD 卡等外部接口模塊等。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖 2 所示。 監(jiān)控儀表采用三星公司的 S3C6410 處理器為核心，這是 一款基于 ARM11 內(nèi)核（ARM1176JZF-S）低功耗、高性價(jià)比的 RSIC 處理器，廣泛應(yīng)用于通用處理和移動(dòng)領(lǐng)域，其具有 667MHz 的主頻和豐富的硬件外設(shè)資源。在設(shè)計(jì)過程中，監(jiān)控儀表的硬件平臺采用核心板和底層板相分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，核心板為 ARM 最小系統(tǒng)板包含了 nandflash、norflash 和sdram 等部分電路，底層板包含了 AD 采集電路，繼電器控制 量輸出電路及 RS232 和 RS485 等外圍接口電路。

軟件的設(shè)計(jì)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，向下聯(lián)系著各個(gè)硬件系統(tǒng)的功能，也是整個(gè)塔機(jī)安全監(jiān)控信息處理的中心，主要涉及以下幾部分工作： 4. 1 Li nux 內(nèi)核的裁剪與定制 本系統(tǒng)使用的是 2.6.28.6 版本的 Linux 內(nèi)核。在內(nèi)核的移 植中，主要是修改頂層目錄下的 Makefile 文件，將 ARCH 改 為 arm，交叉編譯器 CROSS_COMPILE 改為 arm-linux-；之后對內(nèi)核進(jìn)行配置裁剪，在內(nèi)核的配置過程中，根據(jù)塔機(jī)安全監(jiān)控儀表系統(tǒng)的具體需求，裁剪掉了一些系統(tǒng)中用不到的 Linux 內(nèi)核自帶的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)在內(nèi)核中添加了定制好 A/D轉(zhuǎn)換 設(shè)備驅(qū)動(dòng)、GPIO 驅(qū)動(dòng)、液晶屏和觸摸屏驅(qū)動(dòng)，以及對內(nèi)核自帶 的 USB、RS232、SD 卡等設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)置。 4. 2 根文件系統(tǒng)的制作 嵌入式 Linux 支持多種文件系統(tǒng)，常見的文件系統(tǒng)有 Ramdisk、CRAMFS、JFFS2、YAFFS 等 。 本系統(tǒng)中使用的 Nandflash 為 2G，DDR 內(nèi)存為 256M，同時(shí)系統(tǒng)需要寫入文件， 且需要具有掉電可靠性。根據(jù)這些系統(tǒng)的實(shí)際需求和文件系 統(tǒng)的自身特點(diǎn)，選擇 YAFFS2 作為根文件系統(tǒng)。首先在內(nèi)核中 添加了對 yaffs 的支持，接著編譯并安裝了 busybox，然后構(gòu)建 了文件系統(tǒng)，最后將構(gòu)建好的文件系統(tǒng)制作成了 yaffs 文件系 統(tǒng)格式的鏡像。 4. 3 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用程序的編寫過程中為了提高軟件的運(yùn)行效率，采用了多線程設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行了基于 MiniGUI 圖形用戶界 面的設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)功能及操作主體的不同，軟件具有兩種功能模式，分別是管理模式和工作模式。管理模式下主要進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和歷史參數(shù)的查詢，包括塔式起重機(jī)自身參數(shù)信息（外型尺寸、起重特性曲線表等）的設(shè)置，傳感器的標(biāo)定等。工作模式為參數(shù)設(shè)定后正常的工作模式，包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、輸出等。在系統(tǒng)工作模式下軟件采用兩個(gè)線 程，包括一個(gè)主線程和兩個(gè)子線程。其中主線程主要用于人機(jī) 交互，主要實(shí)現(xiàn)圖形化的顯示、界面的切換等；子線程 1 主要 接收 AD 采集到塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并填充到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)體中，該線程每 100ms 刷新一下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體；子線程 2 主要 負(fù)責(zé)參數(shù)監(jiān)測和控制量的輸出。三者之間以塔式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)為核心，并且通過線程的同步機(jī)制保證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中數(shù)據(jù)的安全、準(zhǔn)確。三者之間關(guān)系如圖 3 所示。

    主線程的主要任務(wù)是接收和處理窗口收到的各種消息，其中包括：皮膚窗口消息和皮膚事件消息。在本程序中，皮膚 事件消息主要包括點(diǎn)擊皮膚按鈕時(shí)產(chǎn)生的消息。例如點(diǎn)擊傳感器標(biāo)定按鈕，系統(tǒng)將把該皮膚事件發(fā)送到事件回調(diào)函數(shù)中，在該函數(shù)中實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前界面皮膚對象的注銷以及傳感器界面新窗口的創(chuàng)建等，從而達(dá)到界面切換的目的。皮膚窗口消息主 要包括 MSG_CREATE、MSG_PAINT 和 MSG_TIMER 等 [6]。 在皮膚窗口消息回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的主要功能是子線程 1、子線 程 2 數(shù)據(jù)的接收和顯示界面的實(shí)時(shí)刷新。具體程序流程如圖 4 所示。

本文針對日益增多的塔機(jī)安全問題，將 ARM 與嵌入式 Linux 軟件編程相結(jié)合提出的塔機(jī)安全監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)方案，通過現(xiàn)場試驗(yàn)表明該裝置不僅能夠顯示塔機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參

數(shù)，同時(shí)能夠?qū)Υ嬖诘陌踩[患做到提前的預(yù)警并對相應(yīng)回路進(jìn)行控制，該裝置具有性能定，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，誤差小，擴(kuò)展性好的特點(diǎn)