港口门座式起重机的无线控制与可靠性研究

程明辉

大连港埠机电有限公司 辽宁大连 116620

1 无线控制系统概述

无线控制系统的硬件电路的设计基于门式起重机的原始电气系统。它是原始电气控制系统的进一步改进，也是无线控制系统软件设计的基础。硬件电路设计可分为手持终端的硬件设计和端口机的硬件电路设计。设计原理类似。电源电路的设计，键盘电路的设计和显示电路基于合适的芯片和电子元件的选择。主控制电路的设计，射频电路的设计和各接口电路的设计。门式起重机电控系统的电气控制系统采用不连续信号的采集和输出的切换控制。该系统的缺点与复杂的线路和逻辑关系的变化一样复杂。每个动作机构由一个单独的变频器控制：一个电动机单独驱动升力，另一个电动机单独驱动打开和关闭。第一档起动转矩不小于1.0Me，速度分为五个步骤。为了满足实际需要，安装了动态制动器，制动器由电动液压推杆操作。变幅机构由电动机单独驱动，制动器由电动液压推杆操作。第一档的起动转矩不小于1.0Me，速度分为五档。旋转机构由两个电机同时驱动并同时控制。旋转机构是大惯性系统，风载荷占整个外载荷的约70%，变化范围极大。第一档起动扭矩不应太大，而第三档调速。运行机构是一个平移机构，由门腿的八个电机同时驱动。制动器由电动液压推杆操作[1]。

2 无线控制系统的硬件电路设计

2.1 无线控制系统

无线控制系统由两部分组成：手持终端和端口终端。操作员通过手持终端发送端口机的控制命令，同时从端口机接收反馈信息。港口安装在起重机上。它从手持终端接收控制命令并将其发送到端口机电气系统PLC的输入端。同时，它可以检测端口机器的运行状态，并将此信息反馈给手持设备。无线控制系统的构成框图如图1所示：

图1 无线控制系统

DSP主控芯片是整个系统的核心控制芯片。它通过SPI接口控制射频收发器芯片的配置，状态转换和通道转换。DSP主控芯片具有强大的计算能力，可以快速实现控制命令和状态信息的信道编码和解码算法，实现无线控制系统的接收和发送协议。DSP主控芯片还可以使用丰富的I/O端口与人机界面进行通信，实现信息的输入和显示。RF收发器芯片的功能是将DSP主控芯片发送的基带数字信号调制成射频信号，并将接收到的RF信号解调为基带数字信号，并将其发送到DSP主控芯片[2]。在手持侧，DSP主芯片扫描键盘输入，读取操作者的按钮信息，并将相应键值的编码信息发送到无线RF收发芯片，通过SCI接口模块进行调制传输；RF收发器芯片从无线信道接收无线信道。由端口机反馈的状态信息被解调并发送到DSP主控芯片。DSP主控芯片对基带数字信号进行解码，然后在显示界面上显示相应的信息供操作员参考。在端口机侧，DSP主控芯片接收由射频芯片解调的基带数字信号，解码并校正基带数字信号并将其传输到端口机电驱动系统，或接收端口机PLC电控系统。状态信息和与该信息对应的编码信号被发送到无线收发器芯片以进行传输。

2.2 射频电路设计

RF电路主要执行基带数字信号到RF调制信号的转换，以及RF调制信号到基带数字信号的转换。它是无线控制系统硬件设计的重要组成部分。nRF903是一款单芯片RF收发器芯片，具有三个工作频段433/868/915MHz。它具有GMSK（高斯最小频移键控）/GFSK（高斯频移键控）调制和解调能力，并具有很强的抗干扰能力。工作温度范围为-40°C～+85°C，符合工业控制应用。采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性好，有170个通道，满足本文所用的通道转换需求。它可以直接与TMS320LF2407A接口，无需曼彻斯特数据编码，通信波特率可达76.8kbps。工作电压范围为2.7V至3.6V，功耗低，需要更少的外围元件才能形成完整的RF收发器。

2.3 天线设计

ANT1和ANT2是天线引脚。当nRF903处于接收模式时，两个天线引脚为LNA（低噪声放大器）提供RF输入。当nRF903处于发射模式时，PA（功率放大器）为两个天线引脚提供RF输出。可以使用印刷在板上的差分环形天线或单端天线。由于环形天线是印刷在电路板上的导体，在现场使用环境中，电路板需要密封在盒子中，从而影响环形天线的增益。因此，在该主题中选择了对象的单端天线和差分天线引脚。必须在单端天线之间使用匹配的网络连接[3]。

2.4 主控电路设计

主控制电路控制无线控制系统的各个方面以协调操作，接收控制面板的键输入，向LED输出显示信息，控制射频电路的状态，并完成与射频电路的通信。在主控制电路的设计中，除主控芯片DSP的外围器件设计外，还需要DSP与射频芯片nRF903之间的接口设计，而对于手持终端，DSP与DSP之间的接口也是如此。控制面板和显示LED完成设计；用于端口机完成DSP和门式起重机原有电气系统PLC的接口设计。

3 可靠性

基本控制电路部分和RF电路部分被分成板，使得相同的RF板可以用于手持终端和端口终端的相同RF电路部分。手持终端和端口终端的基本控制电路板不同，主要是因为手持终端考虑键盘电路和显示电路，端口机器考虑DSP和PLC接口电路，所以有必要另外制造电路板。在进入调试之前，在CCS运行时环境中创建一个新项目，并将上述四种格式的文件添加到要编译的项目中。然后将其下载到印刷电路板的DSP芯片上；如果存在语法错误或其他类型的错误，编译器会给出相应的提示，根据提示进行调试并修改程序，直到没有错误为止。

4 结语

无线控制系统在一定程度上满足了港口起重机械的无线控制要求，但由于设计过程仅针对特定的港口龙门起重机，因此它们被信道编码并存储在存储单元中。因此，当该无线控制系统应用于具有不同运动命令的其他机器时，固定值需要重新设计和改变原始存储的命令和状态信息，这可能影响新无线控制系统的可靠性。