机房升降设备扭矩检测装置

陈兵，许国泰，余景原

（上海市信息网络有限公司，上海 200081）

0 引言

扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩。IDC升降设备中的发动机的扭矩就是指发动机从曲轴端输出的力矩。在功率固定的条件下它与发动机转速成反比关系，转速越快扭矩越小，反之越大，它反映了升降设备在一定范围内的负载能力。

通信机房中，各种通信设备的位置和连接有一整套的规范和流程，对于各种环节的设备摆放位置会有需求。而高昂的造价和沉重的质量，对于升降设备的可靠性就提出了极为严苛的要求。目前对于升降设备的操作主要取决于操作人员的经验，没有经验的操作人员可能会对设备造成不可逆的损伤[1-3]。故对于升降设备的主要动力部件电机的几类关键参数（扭矩、转速和角度）需要进行监测。并在此基础上，对操作人员进行提示或者直接进行反馈干预，保证升降设备的正确运行。把所有操作的参数上传到PC上，对整个通信机房现场进行操作历史保存，以便有事故时可以回溯查验操作数据。

1 机房升降设备扭矩检测装置的系统设计

机房升降设备扭矩检测装置的系统主要分为输入环节，控制环节和输出反馈环节三部分组成。

输入环节包含扭矩传感器、3路高速光耦隔离数字输入、16路普通光耦隔离数字输入以及一片AD转换芯片ADS85611。扭矩传感器安装在升降设备上，与电机驱动轴同轴，以便采样扭矩信号和转速信号。因不同的升降设备的电机转速、扭矩测量范围都有所不同，故本系统采用的扭矩传感器为应变片型扭矩传感器，采样的信号为数字频率信号。故输入环节采用了3路高速光电隔离模块和16路普通光电隔离模块进行传输。由于采用了电信号隔离技术进行设计，故本系统可以同时支持3路扭矩信号的输入，包含一台升降设备的3个方向（水平、前后和上下）的电机扭矩测量。普通光电隔离通道用于采样电机转速、角度等次要参数的输入，这部分参数扭矩传感器也会以脉冲的形式输出[4]。为了系统便于扩展不同的扭矩传感器的输出信号，故预留了3路AD数模转换接口，以防升降设备更换扭矩传感器，得到的输出信号为模拟量，为系统的扩展做好准备。

控制环节包含两大单元：CPLD和ARM。另外，由于采样的数据较多，在CPLD和ARM外部还连接有一块SDRAM，用于对数据的暂存。输入信号的处理主要由CPLD来进行转换，主要对高速信号进行分频并计数，再把处理好的信号直接存入SDRAM中。ARM则主要负责对上位机的指令（USB或UART）进行解析，并按要去读取SDRAM中的数据信息进行上传。在扩展部分，若ADC和DAC进行工作时，负责控制相关的外设进行采样和反馈控制[5]。

在输出反馈环节，主要是在系统扭矩数据异常或者接收到上位机的指令，要求对扭矩传感器或者电机驱动器进行控制时，进行数字量的反馈输出。以免系统产生过载危险。

图1是本文的机房升降设备扭矩检测装置的系统结构图。

图1 机房升降设备扭矩检测装置的系统结构图Fig.1 The system structure diagram of the torque detecting device of the lifting equipment in the engine room

2 机房升降设备扭矩检测装置的硬件设计

整个系统的硬件部分主要包含电源、处理器电路、CPLD电路、存储器模块、ADC模块、输入输出隔离模块以及通信模块。以下简要介绍。

2.1 电源电路

本系统所需电源众多，采用的电源模块是WT-1050D，输出为 5V3A、12V2A、22V0.5A。另DC-DC转换有5V转3.3V2A、5V转1.8V2A、12V转±12V。可以满足诸如SDRAM、ADC转换芯片等应用。

2.2 处理器电路

处理器选用ATMEL生产的AT91SAM7S512工业级ARM7处理器。该处理器是32位RISC架构的高稳定性工业现场芯片，自带SDRAM总线控制器，方便本系统扩展使用。

2.3 CPLD电路

本系统采用的逻辑处理单元选用Altera的MAX II CPLD，MAX II CPLD是功耗最低、成本最低的CPLD。MAX II CPLD基于突破性的体系结构，在所有CPLD系列中，其单位I/O引脚的功耗和成本都是最低的。超高性能，以一半的价格实现四倍的密度，支持高达300 MHz的内部时钟频率。

2.4 存储器模块

本系统的存储器采用SDRAM的方式构建，以便更快的吞吐数据而又不必掉电后存储数据，完全满足系统的需求。SDRAM 芯片选用MT48LC16M16A2P，容量256Mbit，满足至少8路的扭矩数据吞吐量，为系统扩展留了余地[6]。MT48LC16M16A2P地址总线使用14位，数据总线16位，与ARM7的接口连接简单，简化了系统的硬件设计。

2.5 ADC模块

ADC模块主要用来满足升降设备的新型扭矩传感器的接口。ADC芯片采用ADS8556。ADS8556包含6个低功耗，16位逐次逼近寄存器（SAR）的模数转换器，具有真正的双极性输入。每个信道包含一个取样与保持电路，允许同时高速多通道信号的采集[7]。

ADS8556支持并行接口模式下高达730 kSPS的数据速率。并行接口的总线宽度可被设置为16位。在高速采样模式下，该ADC模块可以满足系统的要求[8]。

2.6 输入输出隔离模块

本系统设计了传输隔离模块以防系统在外接外部设备时，出现内外部电源的不匹配引起的EMC甚至电气安全问题。本系统使用3路6N137作为高速光耦隔离器进行扭矩方波的采样。转换速率可达10Mbit/s,满足高速传输的要求。其余的辅助隔离光耦采用TLP521-4，该光耦速度较低，满足一般需求即可[9]。

2.7 通信模块

本系统中，ARM与上位机通信采用USB或者UART方式，因ARM处理器本身带有USB controller，故外部只需要连接USB PHY芯片即可。USB PHY使用USBLC6-2SC6。UART使用SP3232EN作为电平转换芯片，使UART得TTL电平转换为RS232电平。

3 固件设计

3.1 扭距检测流程

固件实现方式主要还是围绕着对于PC端主控命令来处理。而CPLD接收的扭矩传感器发送的数据一律暂存在SDRAM中，ARM不去获取并置位，该数据将全部保留[10]。而对于读取数据的方式一律采用中断方式读取，可以提高系统稳定性并与SDRAM中的数据保持平衡。总的来说，扭矩检测的主流程还是比较直观，没有过多的需要算法介入。

检测流程中，固件主要实现如下主要功能。

（1）实时读取A/D 值，频率500kHz，支持多种模式（瞬时值、平均值）

（2）实时数字输出控制

（3）实时读取数字输入状态（500kHz）

（4）输入输出联动设置

（5）USB、串口支持

（6）LED 状态显示（电源、工作、输出）

（7）采集数据缓存（录波功能）

（8）事件记录（数字输入、输出状态变化；A/D异常值）

（9）参数保存

（10）计数器模式

图2 机房升降设备扭矩检测装置的系统结构图Fig.2 The system structure diagram of the torque detecting device of the lifting equipment in the engine room

3.2 CPLD高速计数

设计中，比较重要的一块是CPLD对于扭矩传感器发送的高速脉冲信号进行计数并分频，并把数据存入SDRAM中。本设计利用4组74393锁存器和4组74244搭建32位计数器电路，对高速脉冲进行串并转换，输出32位的脉冲数，并通过并口电路存入SDRAM中。32位高速计数器逻辑单元请见下图3。

图3 32位高速计数器逻辑图Fig.3 32-bit High speed counter logic diagram

3.3 系统状态机

系统固件的另一个重要组成部分为状态机切换机制。因升降设备不是长时间工作的，为了节省系统功耗，并增加系统的鲁棒性，设计了一套状态机机制。该状态机机制的切换取决于通过上位机的指令来分辨，默认方式为USB驱动。系统状态机转换如下图4所示。

图4 系统状态机转换图Fig.4 System state machine transition diagram

4 结论

通信机房升降设备扭矩检测装置目前已经在通信机房应用，取得了比较好的效果。在PC主机上，可以一目了然的观察到升降设备的扭矩、转速及各种异常值，对于设备的工作情况和点检起到了提前指导功能。下一步，将对机房的升降设备扭矩检测进行升级，以无线的方式来读取数据和下发指令，令整个机房的设备可以统一纳入监控网络中，并以数据库的形式记录下每台设备的运行情况，会给整个机房的管理带来更多的优越性。