基于DSP的電梯無線檢測系統(tǒng)的設(shè)計

王博

[摘要]文本主要對基于DSP的電梯無線檢測系統(tǒng)進行研究，首先介紹了電梯檢測的捷聯(lián)慣性原理以及相應(yīng)的坐標(biāo)系建設(shè)，而后對電梯的硬件結(jié)構(gòu)每個模塊進行功能介紹，從而實現(xiàn)電梯無線檢測系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]DSP；捷聯(lián)慣性；數(shù)據(jù)檢測；GPRS

一、概述

隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提升，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在不斷加強，各種辦公大樓、酒店賓館、高層高檔住宅等建設(shè)原來越多，高樓林立的現(xiàn)象已經(jīng)成為現(xiàn)代城市物質(zhì)文明的重要標(biāo)志。在這種現(xiàn)象下，電梯成了必不可少的垂直交通工具，在高樓大廈中起到非常重要的作用。然而，電梯的快速發(fā)展導(dǎo)致電梯事故也頻繁發(fā)生，電梯交通的安全引起了人們非常大的關(guān)注，人們迫切希望電梯能夠在運行過程中穩(wěn)定、安全，能夠成為人們追求物質(zhì)文明生活的有效設(shè)備。基于DSP的電梯無線檢測技術(shù)，能夠?qū)㈦娞葑拥脑谡＿\行情況下的各種運行狀態(tài)過程中的各種數(shù)據(jù)有效地檢測并記錄下來，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，電梯檢測系統(tǒng)就能夠快速根據(jù)正常數(shù)據(jù)來分析并發(fā)現(xiàn)故障，同時將故障信號發(fā)送到電梯運行檢測中心，通知相關(guān)人員進行維修。此外，基于DSP的電梯無線檢測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對電梯各種檢測數(shù)據(jù)進行分析，從而有效發(fā)現(xiàn)電梯的潛在故障，及時通知工程師進行維護和修理，進而減少電梯故障發(fā)生率，保障電梯運行安全。

二、電梯檢測的基本原理

電梯檢測的基本原理是以捷聯(lián)慣性基本原理來實現(xiàn)，首先根據(jù)電梯的運行規(guī)律構(gòu)建相應(yīng)的檢測系統(tǒng)，而后以此檢測系統(tǒng)通過捷聯(lián)慣性原理來確定電梯運行的狀態(tài)和空間軌跡，來檢測電梯運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。

管性捷聯(lián)最早是在應(yīng)用在導(dǎo)彈導(dǎo)航系統(tǒng)中，為導(dǎo)彈的運行提供最基本的參數(shù)測量依據(jù)，在實現(xiàn)最初，是將速度敏感元器件固定在導(dǎo)彈體上，通過對導(dǎo)彈加速度檢測來實現(xiàn)對導(dǎo)彈的制導(dǎo)和導(dǎo)航。捷聯(lián)慣性技術(shù)的應(yīng)用，首先要構(gòu)建慣性坐標(biāo)空間，通過空間中的各個參數(shù)來判斷當(dāng)前導(dǎo)彈的姿態(tài)、運動速度以及當(dāng)前的位置。該原理同樣可以應(yīng)用在電梯運動檢測中，所以在電梯運行檢測過程中需要構(gòu)建坐標(biāo)空間來實現(xiàn)對電梯運動軌跡和運動狀態(tài)的檢測。常見的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)坐標(biāo)系包括以下幾種：地心慣性坐標(biāo)系是以地心為參照物相對地心靜止的坐標(biāo)系；地球坐標(biāo)系，是以相對于地球自轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)動的坐標(biāo)系；地理坐標(biāo)系是常見的三維空間的東、北和垂直方向的三維坐標(biāo)系；導(dǎo)航坐標(biāo)系是指導(dǎo)航系統(tǒng)中以選取的導(dǎo)航基礎(chǔ)作為參照物的坐標(biāo)系，如果與地理坐標(biāo)系相重合，則可以實現(xiàn)指北方位系統(tǒng)；機體坐標(biāo)系則是以機體重心為坐標(biāo)原點的坐標(biāo)系，常以機體縱向為前向坐標(biāo)軸、橫向為右向坐標(biāo)軸，沿飛行器垂直向上的為上向坐標(biāo)軸。

利用捷聯(lián)慣性原理來實現(xiàn)電梯檢測系統(tǒng)，可以采用地理坐標(biāo)系作為電梯檢測系統(tǒng)的軌跡分析依據(jù)，通過加速度檢測儀來檢測電梯運行過程中轎廂在垂直方向和水平共三個方面上的加速度，通過陀螺儀檢測器來檢測電梯運行過程中轎廂在垂直方向和水平共三個方向上的角速度，在使用角速度信號對線加速度進行數(shù)據(jù)修正，而后通過二次積分運算即可獲取電梯運行的曲線，從而得到電梯運行的軌跡數(shù)據(jù)。通過對電梯的參數(shù)判斷以及對電梯運行軌跡的姿態(tài)角分析，以此來判斷電梯的運行狀態(tài)，從而得到電梯運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)。在電梯運行過程中，通過捷聯(lián)慣性構(gòu)建的電梯檢測系統(tǒng)系統(tǒng)來實時獲取電梯運行過程中的軌跡數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，在正常狀態(tài)下，電梯監(jiān)測系統(tǒng)會獲取正常數(shù)據(jù)，如果有異常數(shù)據(jù)發(fā)生，電梯監(jiān)測系統(tǒng)可判斷電梯發(fā)生故障，而后通過無線網(wǎng)絡(luò)將該數(shù)據(jù)發(fā)送到電梯控制中心，從而為電梯運行和監(jiān)測的故障報警提供有效地監(jiān)測數(shù)據(jù)。

三、基于DSP的電梯無線檢測系統(tǒng)

DSP是Digital Signal Processor的簡稱，為數(shù)字信號處理器。常見的DSP芯片是采用哈佛結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的微處理器，結(jié)合內(nèi)部硬件乘法器和并行處理結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)對數(shù)字信號的快速處理。DSP芯片屬于可編程器件，允許外部編程人員對其進行邏輯編程，以流水線技術(shù)為基礎(chǔ)來對每個程序代碼進行取指、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)行四個基本步驟，通過各個指令的重疊來完成相應(yīng)的邏輯功能。

基于DSP來實現(xiàn)電梯無線檢測系統(tǒng)，主要是采用數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑瑢⑹褂媒萋?lián)慣性原理實現(xiàn)的電梯檢測系統(tǒng)中的三維方向的線加速度信號以及陀螺儀的角速度信號采集到DSP存儲設(shè)備中，通過軟件編程構(gòu)建捷聯(lián)慣性模型，在DSP內(nèi)部進行高速數(shù)據(jù)處理，從而計算出電梯的運行軌跡和狀態(tài)數(shù)據(jù)。如果電梯發(fā)生故障，DSP通過分析電梯軌跡數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)來生成報警信號，通過GPRS將故障信號發(fā)送到電梯管理控制中心進行分析和故障處理，同時將其傳送到數(shù)據(jù)保存區(qū)域，供電梯管理中心對其進行綜合分析。基于DSP電梯無線檢測系統(tǒng)包含了五大部分，分別為數(shù)據(jù)檢測和采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、故障分析處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)。

其中，數(shù)據(jù)檢測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是針對電梯運行的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)檢測主要包括了電梯在地理慣性坐標(biāo)系x，y，z三維方向上的線加速度檢測以三個方向的角速度檢測，在設(shè)備選擇方面，可選用性價比較高的3703G2FD3G震動加速度傳器作為數(shù)據(jù)測量儀。數(shù)據(jù)采集模塊主要是功能是完成對電梯數(shù)據(jù)檢測設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，在電梯無線檢測系統(tǒng)中選用MAxl316芯片作為數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊能夠在PWM信號驅(qū)動下提供了8個通道的150K的數(shù)據(jù)采樣頻率，從而滿足電梯運行軌跡模型中的DSP高速計算的需求。一般的，MAXl316芯片會有6個通道去讀取采集線加速度信號和陀螺儀的角速度信號，另外兩個通道作為參考信號來輔助電梯運行數(shù)據(jù)分析。同時，在數(shù)據(jù)采集模塊中會調(diào)用A/D的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，因為數(shù)據(jù)檢測儀監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬電信號數(shù)據(jù)，DSP無法直接讀取和處理，數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)據(jù)檢測的加速度傳感器的三維方向的加速度以及陀螺儀三維方向的角速度由模擬電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，而后傳輸?shù)紻SP芯片中進行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是以DSP芯片為核心的算法處理其，通過相關(guān)的算法，來實現(xiàn)對電梯運行過程中，檢測和采集數(shù)據(jù)的快速計算，從而根據(jù)地理慣性坐標(biāo)系計算出電梯運行軌跡和運行狀態(tài)，從而根據(jù)相應(yīng)的運行軌跡數(shù)據(jù)參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)來判斷電梯運行是否處在正常狀態(tài)。此外，DSP芯片還需要完成其他模塊的控制功能，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊的PWM驅(qū)動信號生成和輸出，GPRS信號和USB信號的數(shù)據(jù)傳輸，軌跡數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲功能，電梯運行參數(shù)判斷等功能，從而實現(xiàn)電梯無線檢測系統(tǒng)的總體功能。endprint

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包含了USB數(shù)據(jù)傳輸和GPRS數(shù)據(jù)傳輸。其中，USB數(shù)據(jù)傳輸是實現(xiàn)DSP與計算機的數(shù)據(jù)連接，電梯無線檢測系統(tǒng)屬于電梯管理控制中心的一個子系統(tǒng)，需要有專門的接口來上傳當(dāng)前檢測電梯的狀態(tài)信號，同時能夠通過統(tǒng)一的系統(tǒng)向各個系統(tǒng)發(fā)送指令和數(shù)據(jù)。由于電梯無線檢測系統(tǒng)對于正常信號數(shù)據(jù)是實時檢測，所以數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)交換頻繁，而USB數(shù)據(jù)傳輸接口在數(shù)據(jù)傳輸過程中速度快、可靠性高，所以對于電梯正常運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采用USB端口進行數(shù)據(jù)傳輸。GPRS是通用無線分組業(yè)務(wù)，是傳統(tǒng)的2.5代移動通信業(yè)務(wù)，主要實現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)終端的上網(wǎng)、多媒體短信、網(wǎng)頁瀏覽以及企業(yè)接人的基本業(yè)務(wù)，從而實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信。在電梯無線檢測系統(tǒng)中可采用MC521芯片來完成電梯故障信號的無線傳輸。

故障分析處理系統(tǒng)屬于在PC端的電梯管理控制檢測系統(tǒng)，處在電梯無線檢測系統(tǒng)的后端，在電梯無線檢測系統(tǒng)發(fā)送出電梯故障信號后，電梯可以根據(jù)信號不同來實現(xiàn)對電梯故障的分析與處理。當(dāng)DSP根據(jù)電梯運行參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)判斷出電梯故障后，調(diào)用GPRS發(fā)送故障信號，故障分析處理系統(tǒng)會自動對當(dāng)前故障進行分級，如果當(dāng)前故障信號屬于臨時異常信號，那么故障分析處理系統(tǒng)會將其上報電梯檢測中心，來輔助檢測中心預(yù)檢測電梯運行異常，同時會將該異常分配給相應(yīng)的工程師進行現(xiàn)場處理。如果該故障信號屬于設(shè)備自恢復(fù)異常，可通過啟動相關(guān)設(shè)備來完成異常恢復(fù)，那么通過監(jiān)測中心調(diào)動相應(yīng)設(shè)備發(fā)送重啟信號，從而實現(xiàn)異常恢復(fù)。如果該異常需要人工進行維護修理，那么監(jiān)測中心會通知相應(yīng)的維護部門，從而派遣工程師到實際現(xiàn)場進行維修，從而有效保障電梯能夠快速得到維修，從而有效安全的運行。

數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)提供了EEPROM和外部擴展存儲模塊RAM，從而對電梯運行中的數(shù)據(jù)進行存儲。在DSP在對電梯運行軌跡進行分析和處理后，將其存儲到EEPROM中，一個EEP-ROM提供了256*4K的存儲空間，隨著地址增加當(dāng)數(shù)據(jù)空間存儲完之后，DSP會重新從頭地址開始，將自早起數(shù)據(jù)給覆蓋掉。外部擴展存儲RAM是只能對DSP而言，不同星號的DSP芯片內(nèi)部都會有一定的RAM或FLASH存儲空間，但是存儲地址有限，一般會通過擴展外部RAM來提升嵌入式系統(tǒng)的存儲空間，從而滿足電梯無線檢測系統(tǒng)的需求，從而使檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和交換能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的算法基本需求。

四、總結(jié)

基于DSP的電梯無線檢測系統(tǒng)的設(shè)計，是以捷聯(lián)慣性原理為基本實現(xiàn)原理，以地理慣性坐標(biāo)系為基本，通過在電梯的x，y，z三維方向上安裝線加速度測量器和陀螺儀的角速度測量器來實現(xiàn)地電梯三維坐標(biāo)速度的測量，通過數(shù)據(jù)采集器對數(shù)據(jù)進行采集，傳送到DSP中進行線加速度的二次積分以及采用角速度對其進行修正，并對相應(yīng)的參數(shù)進行判斷，從而得到電梯運行的軌跡和狀態(tài)，最后通過USB接口將其傳輸?shù)诫娞菥C合管理中心，通過GPRS將電梯異常信號發(fā)送到異常分析和處理中心，并將其進行有效處理，從而保障電梯安全有效的運行。endprint