基于μC/OS-III實時操作系統的電梯檢測通用控制儀*

孫學禮 劉英杰

技術應用

基于μC/OS-III實時操作系統的電梯檢測通用控制儀*

孫學禮 劉英杰

（廣州特種機電設備檢測研究院研發中心，廣東 廣州 510663）

針對一系列電梯檢測儀器的控制儀存在功能相近、重復開發的問題，設計一種基于μC/OS-III實時操作系統的電梯檢測通用控制儀。該控制儀由信號采集、電機控制和手持控制等模塊組成，且根據應用場景不同，可選擇信號采集模塊和電機控制模塊的數量；各模塊之間通過ZigBee無線網絡通信。該控制儀適用于多種特種設備檢測儀器，如電梯平衡系數檢測儀、電梯超載開關檢測儀、電梯無載靜態曳引試驗檢測儀等，并具有較好的可擴展性，為后續產品開發節省成本、節約時間。

電梯檢測通用控制儀；實時操作系統；ZigBee

0　引言

近年來，有關研究人員針對電梯檢測開發了一系列儀器，如電梯平衡系數檢測儀[1]、電梯超載開關檢測儀[2]、電梯無載靜態曳引試驗檢測儀[3]等。這些儀器的控制儀功能大致相同（讀取并顯示傳感器信號、控制電機等），若都單獨開發一套獨立控制儀，開發周期長且資源重復浪費。基于前期研究基礎，本文采用μC/OS-III實時操作系統開發適用于多種電梯檢測儀器的通用控制儀，操作簡單，并預留功能擴展接口，為后續產品開發提供支持。

1　控制儀總體設計

基于μC/OS-III實時操作系統的電梯檢測通用控制儀（以下簡稱控制儀）由手持控制模塊、信號采集模塊及電機控制模塊組成，組成框圖如圖1所示。

圖1　控制儀組成框圖

手持控制模塊是控制儀與操作人員直接交互的部分，用于接收操作人員的指令、顯示信號采集模塊傳送的信息以及向電機控制模塊發送控制指令。

電機控制模塊根據手持控制模塊發送的指令，控制伺服電機啟停、工作模式以及轉速或轉矩。

信號采集模塊采集、處理檢測儀器配套傳感器的值，無線傳送給手持控制模塊，并將此信號作為閉環控制的反饋信號傳送給電機控制模塊，調控電機的轉速或轉矩。

為保證控制儀的穩定性和實時性，電機控制模塊和手持控制模塊移植μC/OS-III嵌入式實時操作系統。在一套電梯檢測儀器中，通常有1個手持控制模塊、多個信號采集模塊和電機控制模塊，各模塊之間通信網絡為星狀結構，即以手持控制模塊為中心節點，其他無線網絡節點均與其連接。本文采用基于802.15.4的ZigBee無線網絡，滿足該拓撲結構的模塊間通信要求。

2　硬件設計

2.1　信號采集模塊

信號采集模塊硬件組成框圖如圖2所示。

圖2　信號采集模塊硬件組成框圖

信號采集模塊以STM32F103RB為主控芯片，負責控制模數轉換、無線通信數據處理、電池電量監測等。模數轉換芯片AD7190將傳感器采集的模擬信號轉換為數字信號，分辨率為24 Bit，采樣率為4.7 Hz ～ 4.8 kHz，可配置為兩路差分輸入或四路偽差分輸入[4]；無線通信芯片CC2530提供一個IEEE 802.15.4兼容無線收發器，增強工業標準的8051 MCU，系統可編程Flash存儲器，8 kB RAM，結合德州儀器的ZigBee協議棧（Z-Stack），可滿足控制儀無線信號的傳輸需求[5]；信號采集模塊由電池供電，采用STM32內部的A/D模數轉換模塊進行電池剩余電量監控[6]。

2.2　電機控制模塊

電機控制模塊硬件組成框圖如圖3所示。

圖3　電機控制模塊硬件組成框圖

電機控制模塊以STM32F407VG為主控芯片，負責控制數模轉換、NPN型硅管開關、無線通信數據處理、供電電壓監測等。數模轉換芯片選用2個AD5689，其是一款低功耗、雙通道、16位緩沖電壓輸出數模轉換器[7]，配合運放芯片OPA4171可輸出?10 ～+10 V的直流電壓，該直流電壓可作為伺服電機的速度模式與控制模式的控制信號[8]；NPN型硅管S8050用于控制電機開關[9]；無線通信芯片CC2530與手持控制模塊通信；電機控制模塊留有接口與伺服電機驅動器連接，單個模塊最多可控制4臺伺服電機；電機控制模塊采用220 V交流電源整流后的電源供電，由STM32內部A/D模數轉換模塊進行直流供電電壓監測。

2.3　手持控制模塊

手持控制模塊硬件組成框圖如圖4所示。

圖4　手持控制模塊硬件組成框圖

手持控制模塊電路以STM32F407VG為主控芯片，負責與串口屏通信、無線通信數據處理、電池電量監測等。串口屏采用TJC8048K050_011[10]；無線通信芯片CC2530與信號采集模塊、電機控制模塊通信。

3　軟件設計

控制儀軟件分為信號采集模塊程序、電機控制模塊程序、手持控制模塊程序和串口屏人機界面4部分，其中前三部分在Keil uvison5下使用C語言編寫，第四部分在USART HMI下完成。

3.1 信號采集模塊程序

信號采集模塊程序主要實現傳感器信號采集、電池電量監測等功能。傳感器信號經模數轉換后，通過ZigBee無線網絡傳送給手持控制模塊和電機控制模塊，程序流程圖如圖5所示。信號采集模塊功能相對簡單，沒有采用μC/OS-III實時操作系統，AD7190和電池電壓采樣在2個定時器內完成，兩者的采樣周期由手持控制模塊設定。

圖5　信號采集模塊程序流程圖

3.2　電機控制模塊程序

電機控制模塊程序流程圖如圖6所示，μC/OS-III實時操作系統負責電機控制、無線信號接收處理和電池電量監測3項任務。其中，無線信號接收處理任務用于接收、處理手持控制模塊傳送的信息，優先級最高，不允許遺漏接收內容；電機控制任務用于控制電機的啟、停、轉速和轉矩，優先級僅次于無線信號接收處理任務；電池電量監測任務用于監測電池的電量，采樣周期低，優先級最低。

圖6　電機控制模塊程序流程圖

3.3　手持控制模塊程序

手持控制模塊程序流程圖如圖7所示。

圖7　手持控制模塊程序流程圖

μC/OS-III實時操作系統負責串口屏交互、無線信號接收處理、計時和電池電量監測4項任務。其中，串口屏交互任務用于接收、處理串口屏發出的指令，優先級最高，不允許遺漏接收內容；無線信號接收處理任務用于控制伺服電機，接收、處理信號采集模塊傳送的數據，優先級僅次于串口屏交互任務；計時任務用于計時某些檢測過程持續的時間，優先級低于串口屏交互任務；電池電量監測任務優先級最低。

3.4　串口屏人機界面

串口屏人機界面包括開機、電梯平衡系數測試、電梯超載開關測試和電梯靜態曳引試驗等，分別如圖8～11所示。

控制儀開機進入圖8界面，可選擇檢測內容、無線聯網設置。

圖8　開機界面

選擇進入電梯平衡系數測試系統后，界面如圖9所示，有實時重量顯示、轎廂側重量、對重側重量、額定載荷、曳引比和計算6個窗口。其中，實時重量顯示的數值為測試的實時重量，當該數值穩定后，可選擇轎廂側重量/對重側重量按鈕將數值保存；額定載荷根據電梯的實際情況進行手動輸入；點擊曳引比，有1:1、2:1及4:1選項，可根據實際情況進行選擇。

圖9　電梯平衡系數測試界面

電梯超載開關測試界面如圖10所示。施加負載值窗口實時顯示超載開關測試儀施加于電梯的力值；可手動輸入電梯額定載荷值；可選4臺電機的正/反轉。

圖10　電梯超載開關測試界面

電梯靜態曳引試驗界面如圖11所示。在施力值設定窗口設定預施加的力值，電機根據該設定值和施力實時值調整轉矩；點擊開始按鈕，開始施加力；施加于鋼絲繩上的力穩定后，點擊計時按鈕開始計時；點擊暫停按鈕電機停止運行；點擊復位按鈕，電機反轉撤銷所施加的力。

圖11　電梯靜態曳引試驗界面

4　應用

目前，控制儀可應用于電梯平衡系數測試、電梯超載開關測試以及電梯靜態曳引試驗，下面以電梯靜態曳引試驗為例作介紹。

電梯靜態曳引試驗檢測儀利用伺服電機施力替代載荷，實現電梯靜態曳引試驗無載檢測，安裝示意圖如圖12所示。

圖12　電梯靜態曳引試驗檢測儀安裝示意圖

測試時，驅動裝置通過連接繩索拉下固定桿，由于下固定桿作用在曳引機固定梁上不能移動，夾塊對夾持的曳引鋼絲繩產生向下的作用力，該作用力用來模擬轎廂的額定載荷。

電梯靜態曳引試驗檢測儀的控制儀組成如圖13所示，采用1個手持控制模塊、2個信號采集模塊和1個電機控制模塊。手持控制模塊收集信號采集模塊的數據，根據該數據向電機控制模塊發送指令；信號采集模塊采集拉力傳感器的值，并發送給手持控制模塊；電機控制模塊根據手持控制模塊所傳送的指令，選擇轉矩控制模式及轉矩大小。

圖13　電梯靜態曳引試驗控制儀組成框圖

5　結語

本文提出的基于μC/OS-III實時操作系統的電梯檢測通用控制儀，可通用于電梯平衡系數檢測儀、電梯超載開關檢測儀及電梯靜態曳引試驗檢測儀，同樣也適用而正在開發的自動扶梯梳齒板保護開關測試儀[11]。該通用控制儀的開發，有效縮短檢測儀器的開發周期，降低開發成本。

[1] 孫學禮,黃國健,劉英杰,等.一種無載的電梯平衡系數檢測方法及其實現[J].自動化儀表,2017,38(9):61-64.

[2] 孫學禮,黃國健,劉英杰,等.一種無載荷的電梯超載保護裝置檢驗方法[J].自動化與信息工程,2017,38(1):5-7,12.

[3] 孫學禮,黃國健,劉英杰.電梯靜態曳引試驗的無載檢測方法及實現[J].自動化與信息工程,2020,41(6):23-27.

[4] 朱旭芳,朱小芳. 24位模數轉換器AD7190原理及應用[J]. 軟件導刊,2015,14(3):24-26.

[5] 馬書敏,劉亞輝. ZigBee與UWB融合定位移動終端設計[J].自動化與儀器儀表,2021(8):176-179.

[6] 吉炫瑋.基于STM32的蓄電池充放電控制及無8063線監測系統的設計[D].銀川:北方民族大學,2018.

[7] 吳永忠,梅新星.基于STM32的微弱光電信號檢測系統的設計與實現[J].傳感器與微系統,2020,39(6):107-109,112.

[8] 楊杰,唐煒,麥志輝,等.鉛酸蓄電池多參數在線檢測系統的設計[J].機械與電子,2020,38(5):64-68.

[9] 胡致杰,梁人杰,羅澤鵬,等.一種具有警示功能節水裝置的設計與實現[J].機電工程技術,2020,49(3):112-114.

[10] 周昱帆,涂國宇,潘鋒偉,等.基于淘晶馳串口屏的心電圖監護設計[J].電子制作,2021(11):15-17,52.

[11] 林燕,黃子豪,何山,等.一種自動扶梯梳齒板安全保護開關觸發力測量裝置[J].自動化與信息工程,2019,40(1):7-11.

Elevator Detection General Controller Based on μC/OS-III Real Time Operating System

Sun Xueli Liu Yingjie

(R&D Center, Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing, Guangzhou 510663, China)

Aiming at the problems of similar functions and repeated development of a series of elevator detection instruments, design a elevator detection general controller based on μC/OS-III real time operating system. The controller is composed of signal acquisition, motor control and handheld control modules, and the number of signal acquisition modules and motor control modules can be selected according to different application scenarios; Each module communicates with each other through ZigBee wireless network. The controller is applicable to a variety of special equipment detection instruments, such as elevator balance coefficient detector, elevator overload switch detector, elevator no-load static traction test detector, etc., and has good scalability, saving cost and time for subsequent product development.

elevator detection general controller; real time operating system; ZigBee

廣東省市場監督管理局科技項目（2020CT07）；廣東省特種設備安全科技協同創新中心項目（2021B1111600002）。

孫學禮，男，1982年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：檢測儀器開發，包括電氣設計、機械設計、控制編程等。E-mail: 641302712@qq.com

TP29

A

1674-2605(2021)06-0009-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.06.009