基于STM32的電梯運行性能分析儀的設(shè)計與實現(xiàn)

陳 飛 ，樊衛(wèi)華 ，張永舉 ，顧旭波

（1.南京理工大學自動化學院，江蘇南京210094；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院吳江分院江蘇蘇州 215200）

根據(jù)質(zhì)檢總局官網(wǎng)數(shù)據(jù)，截止2015年底全國共有電梯425.96萬臺，其中使用10年以上的“老舊電梯”比例超過10%[1-5]。前不久，國家質(zhì)檢總局對部分老舊電梯集中的省市開展了“在用老舊電梯安全狀況分析與監(jiān)測”，在抽查的2 523臺老舊電梯中，有7%的電梯存在較大隱患。另外，在抽查的15年以上梯齡的老舊電梯中，合格率僅為1成。由于電梯老齡化、頻繁運行、維保不到位，使用安全意識淡薄等原因，電梯困人事故時有發(fā)生，引起了社會廣泛關(guān)注[6-8]。

通過電梯運行性能分析提高電梯安全保障水平是比較可行的辦法。根據(jù)GB/T 24474-2009《電梯乘運質(zhì)量測量》和GB/T 20900-2007《電梯、自動扶梯和自動人行道風險評價和降低的方法》，振動加速度是電梯運行性能的重要指標。將電梯運行過程中轎廂實際加速度用于反饋補償控制[9-10]，能有效減低曳引機旋轉(zhuǎn)失衡及起制動過程產(chǎn)生的剛性慣性力引起的電梯振動[11]，提高電梯運行品質(zhì)和舒適性。目前，國際上大多采用美國研制的EVA625開展電梯運行性能分析。EVA625以8位單片機為核心，內(nèi)置4通道700 s存儲空間，并且采用的是數(shù)據(jù)離線分析模式，但成本較高而且無法滿足高效率、高精度測試分析的需要。國內(nèi)杭州市特種設(shè)備檢測院研制了一種基于TMS320C6000系列DSP為核心的電梯運行質(zhì)量分析儀，但該產(chǎn)品的市場占有率還比較低，而且裝置體積較大，便攜性不高[12-15]。

文中采用基于STM32的嵌入式技術(shù)研制成本低、便攜性高的電梯運行性能分析儀，實現(xiàn)電梯運行性能的可視化測試和故障預測預警。

1 電梯運行性能測試方法和要求

根據(jù)GB/T 24474-2009《電梯乘運質(zhì)量測量》中的描述，電梯運行性能分析需要對電梯z軸的加速度、三軸的振動加速度以及電梯運行速度進行處理分析。

采用三軸加速度傳感器實時測量電梯或者自動扶梯的運行加速度、振動加速度，并通過對運行加速度進行數(shù)值積分來計算電梯的運行速度。電梯運行性能測試如圖1所示，測試時，三軸加速度傳感器放置在電梯轎廂地板的中央，Z軸垂直于地板，X軸正對轎門。完成一次電梯運行性能分析，Z軸加速度傳感器采集電梯啟動加速、途中勻速、制停減速整個過程的加速度信號，X軸和Y軸加速度傳感器采集電梯側(cè)向晃動的加速度。

圖1 電梯運行性能測試示意

三軸加速度傳感器測的加速度原始信號，需要進行濾波處理后才能用于計算速度、位移和分析。根據(jù)GB/T 24474-2009《電梯乘運質(zhì)量測量》[16]中的相關(guān)規(guī)定，振動和加速度數(shù)據(jù)分別需要進行ISO8041標準濾波和10 Hz的低通濾波（2階巴特沃斯濾波器）處理。其中二階巴特沃斯低通濾波器如下表示：

其中，ωc為截止頻率，ωp為通頻帶邊緣頻率，為|H(ω)|2在通頻帶邊緣的數(shù)值。

經(jīng)過濾波處理后，采用復化辛普森數(shù)值積分方法計算速度、位移，公式如下：

其中，h=(te-ts)/(2M)，2M為數(shù)值積分區(qū)間的等分數(shù)，te為結(jié)束時間，ts為開始時間，Es(f+h)為截斷誤差，當采樣頻率很高時，可以忽略。當f(x)為加速度時，數(shù)值積分結(jié)果S(f,h)為速度，當f(x)為速度時，S(f,h)為位移。

根據(jù)GB/T 24474-2009《電梯乘運質(zhì)量測量》、GB/T10058-2009《電梯技術(shù)條件》，電梯運行性能分析儀應實現(xiàn)標準和技術(shù)規(guī)范中設(shè)計的振動加速度，速度和位移相關(guān)測試分析功能，總體性能要求如表1所示。

表1 電梯運行性能分析儀性能要求

2 電梯運行性能分析儀總體方案

為了實現(xiàn)電梯運行性能信號的高速高精度采集、分析、處理和顯示，以及實現(xiàn)故障的預測預警功能，電梯系統(tǒng)整體框架分為兩部分，如圖2所示。其中，上位機主要對采集到的電梯加速度數(shù)據(jù)進行深度分析，為離線進行，并將歷次測量結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，不僅可以通過對單次測量數(shù)據(jù)處理，分析電梯當前的運行性能狀況，并生成性能報告，而且可以通過分析歷次的測量結(jié)果，判斷其性能變化趨勢，實現(xiàn)對故障的預測預警；下位機以32位單片機為核心，通過與三軸加速度傳感器進行通信，實現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)的采集、存儲以及數(shù)據(jù)的即時顯示功能。

3 硬件設(shè)計

電梯運行性能分析儀的硬件電路以嵌入式處理器為核心進行設(shè)計，具有電梯運行數(shù)據(jù)采集、存儲和數(shù)據(jù)即時顯示的功能?？紤]到可調(diào)試性，下位機硬件電路的整體設(shè)計框圖如圖3所示，微控制器通過SPI總線與三軸加速度傳感器相連，保證了較高的傳輸速率，并且提供了RS232接口，用于調(diào)試。此外，為了能夠?qū)崿F(xiàn)一定的數(shù)據(jù)量存儲，提高測量時間，硬件電路中還添加了外部存儲器。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

基于成本、功耗、性能3個方面的考慮，微處理器采用的是基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407芯片，主頻高達168 MHz，且增加了浮點、DSP、并行計算的功能，性能十分出眾。三軸加速度傳感器采用的是ADI公司的MEMS加速度傳感器ADXL362，ADXL362既能測量動態(tài)加速度也能測量靜態(tài)加速度，提供12位輸出分辨率，而且具有超低功耗。傳感器測量范圍為±2 g、±4 g及±8 g，其中±2 g范圍內(nèi)的分辨率為1 mg/LSB，采樣頻率最高可達400 Hz，符合電梯運行性能分析儀的需求。此外，選用速度較快的SRAM作為外部存儲器臨時存儲數(shù)據(jù)，型號為ISSI公司的IS62WV5126BLL，容量為1 MB。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括上位機軟件和下位機軟件。下位機主要進行數(shù)據(jù)的采集存儲以及測量數(shù)據(jù)的即時顯示，上位機主要負責將下位機采集到的數(shù)據(jù)進行深度分析。

下位機開發(fā)時采用C語言編程，因為C語言簡潔且易于調(diào)試和維護。整個下位機采用模塊化的設(shè)計方式，使主程序簡單明了，同時方便系統(tǒng)的維護和升級。其中測量三軸加速度數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示，用戶點擊開始按鍵后，系統(tǒng)便會以400 Hz的采樣頻率開始采集三軸加速度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)暫存在外部SRAM中，同時在液晶顯示屏上顯示即時采集的數(shù)據(jù)。用戶點擊結(jié)束按鍵后，系統(tǒng)便會停止采集數(shù)據(jù)，把已采集到的數(shù)據(jù)從外部SRAM中轉(zhuǎn)存到TF卡或USB設(shè)備中，便于上位機進行深度分析。

圖4 下位機軟件流程圖

上位機電梯運行性能分析軟件用C#開發(fā)，提供了友好的人機交互界面和快速數(shù)據(jù)處理的性能。軟件主要包括存儲數(shù)據(jù)模塊、用戶信息管理模塊、電梯信息管理模塊、信號分析模塊、報告生成模塊。其中存儲數(shù)據(jù)模塊，將下位機采集的數(shù)據(jù)文件分別存入到數(shù)據(jù)庫中各個對應電梯的數(shù)據(jù)集里，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析；用戶信息管理模塊，存儲用戶的一些基本信息，以及其屬下電梯的整體情況；信號分析模塊，根據(jù)當前下位機采集的數(shù)據(jù)文件分析電梯的加速度-時間關(guān)系、速度-時間關(guān)系、位置-時間關(guān)系、加加速度-時間關(guān)系。通過傅里葉變換，分析運動量信號的頻譜特征，界面如圖5所示；電梯信息管理模塊，存儲電梯的一些基本信息，以及對存入該電梯數(shù)據(jù)集中的所有結(jié)果進行統(tǒng)計分析，判斷其性能的變化趨勢，對故障進行預測預警；報告生成模塊，將分析后的電梯各項指標的基本信息生成報告文檔。

5 應用實驗

在電梯檢驗和安全評估實際工作中，應用研制的電梯運行性能分析儀，驗證其功能。按照圖1所示的測試方法，測試額定速度為1.6m/s、額定載荷為1 350 kg的乘客電梯，電梯從9樓啟動一直平穩(wěn)運行到-1樓，總距離為32 m。測得的三軸加速度原始信號以及Z軸經(jīng)過濾波后的信號如圖6所示，圖中，至上而下依次為X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度、經(jīng)2階巴特沃斯濾波器濾波后的Z軸加速度，由圖可知，Z軸加速度信號反應了轎廂啟動、加速、勻速、減速、停止的整個過程，X軸加速度和Y軸加速度反應了轎廂的側(cè)向晃動。對濾波后的Z軸數(shù)據(jù)進行復化辛普森數(shù)值積分處理，得到如圖7所示的運行性能分析結(jié)果，至上而下依次為速度和位移。從圖6和圖7中可知，電梯運行平穩(wěn)時的速度以及總位移分別為1.569m/s和32.59 m。與標稱值相比，誤差在允許的范圍之內(nèi)，可見此電梯運行性能分析儀能夠提供準確地三軸加速度數(shù)據(jù)。此外，該電梯運行加速度在-0.75～0.75 m/s2之間，根據(jù)GB/T 10058-2009《電梯技術(shù)條件》，乘客電梯啟動和制動的加速度最大值不應大于1.5m/s2。測試結(jié)果表明加速度性能完全達到要求。

圖5 信號分析模塊界面

圖6 電梯運行三軸加速度原始信號及Z軸濾波后的信號

圖7 電梯加速度分析結(jié)果

6 結(jié)論

采用高性能的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法研制的電梯運行性能分析儀，具有以下特點：

1）通過adxl362芯片獲得高質(zhì)量的三軸加速度信號，并進行濾波處理和數(shù)值計算，準確快速地分析出電梯運行加速度、速度、位移等運行性能參數(shù)。

2）設(shè)計了測試的可視化界面，便于測試現(xiàn)場直接觀察數(shù)據(jù)，并應用C#設(shè)計了可視化的數(shù)據(jù)分析界面，提高了電梯運行性能分析的效率。

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