便攜式電梯多參數(shù)一體化測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

王鵬飛，李縱華

（內(nèi)蒙古自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031）

0 引言

電梯安全的重要性毋庸置疑，而隨著電梯制造技術(shù)的發(fā)展，電梯數(shù)量的高速遞增，電梯安全檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)儀器也在更新，傳統(tǒng)的電梯檢驗(yàn)方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，不能滿足目前電梯快速、高效、高質(zhì)的檢驗(yàn)要求，因此研制出一款便攜而又集多種檢驗(yàn)功能于一體的電梯檢驗(yàn)儀是十分必要的。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在電梯的安裝維護(hù)及檢測(cè)檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行梯速檢測(cè)的測(cè)速裝置、進(jìn)行電梯工作電壓測(cè)試及電梯平衡系數(shù)試驗(yàn)等所用的鉗形電流表以及進(jìn)行井道頂部空間和底坑空間安全距離檢測(cè)的測(cè)距儀等裝置，在國(guó)內(nèi)和國(guó)外都比較成熟，相應(yīng)的產(chǎn)品種類也很多。關(guān)于鉗形電流表，國(guó)外主要以美國(guó)福祿克（Fluke）、日本SANWA、日本HIOKI、德國(guó)BEHA品牌為代表，國(guó)內(nèi)主要以香港華誼、臺(tái)灣TES、深圳勝利品牌為代表；關(guān)于數(shù)字轉(zhuǎn)速表或測(cè)速儀，國(guó)外主要以日本SANWA、日本共立（KYORITSU）、德國(guó)樂(lè)達(dá)（RHEINTACHO）、美國(guó)蒙那多（Monarch）品牌為代表，國(guó)內(nèi)主要以大連徠特、LUTRON／路昌、上自儀、SHIMPO等品牌為代表；關(guān)于測(cè)距儀，國(guó)外的主要有瑞士徠卡（LEICADISTO）、德國(guó)博世（BOSCH）、法國(guó)阿克泰克（Agatec），國(guó)內(nèi)主要有國(guó)產(chǎn)普瑞測(cè)、香港CEM、華誼儀表MASTECH。為了更好地適應(yīng)電梯技術(shù)的發(fā)展及促進(jìn)電梯運(yùn)行安全，國(guó)內(nèi)外也對(duì)電梯相關(guān)部件的檢測(cè)檢驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了一定程度的集成與改進(jìn)，具有了便攜與多功能等特點(diǎn)，如自動(dòng)扶梯同步率測(cè)試儀、自動(dòng)扶梯運(yùn)行參數(shù)測(cè)試儀、電梯／扶梯運(yùn)行質(zhì)量分析儀，尤其是美國(guó)GP公司銷售的PMT EVA-625電梯綜合性能測(cè)試儀，其所擁有的EVA系統(tǒng)能夠精確地量化加速度和噪聲的測(cè)量數(shù)據(jù)，是乘運(yùn)質(zhì)量和電梯系統(tǒng)問(wèn)題診斷的最真實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，其具備的寬帶響應(yīng)可診斷電梯和扶梯系統(tǒng)的機(jī)械和控制元件，使有缺陷和已磨損的組件在電梯發(fā)生故障前就可辨別出來(lái)。不過(guò)以上這些設(shè)備體積龐大，價(jià)格昂貴，也不便于攜帶。

2 測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)原理及依據(jù)

便攜式電梯多參數(shù)一體化測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)原理是在儀器結(jié)構(gòu)緊湊、攜帶方便的前提下，將電梯安全檢驗(yàn)的常用工具包括轉(zhuǎn)速表、測(cè)速儀、測(cè)距儀、鉗形電流表的所有基本功能共同集成到一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)一表多參數(shù)測(cè)量功能。

Advanced RISC Machines（ARM）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁減，方便適應(yīng)，且對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面均有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序等4部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等，具有體積小巧、集成度高、功能強(qiáng)大、資源豐富、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，可以方便地將轉(zhuǎn)速表、測(cè)速儀、測(cè)距儀等各儀表的功能模塊組合為一體，并力求達(dá)到便攜與小型的效果。

3 測(cè)量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以嵌入式ARM為主控芯片，“手持上位機(jī)+測(cè)試主控盒”為基本架構(gòu)，測(cè)試主控盒連接各傳感器，將各傳感器信號(hào)采集到主控系統(tǒng)中，具有高實(shí)時(shí)性與可靠性的特點(diǎn)。通過(guò)主控盒檢測(cè)采集并分析各參數(shù)，與手持上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)下發(fā)指令及察看和記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)的功能。測(cè)量?jī)x系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)主控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主控芯片采用“Coytex-M4+DSP”架構(gòu)的STM32F4系列芯片，結(jié)合了ARM開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、資源豐富以及DSP強(qiáng)大信號(hào)處理能力的優(yōu)點(diǎn)，擁有豐富的IO接口，便于主控電路的開(kāi)發(fā)。其DSP模塊可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析處理，將主處理器ARM從繁重的計(jì)算中解放出來(lái)，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)控管理及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)热蝿?wù)。基于此設(shè)計(jì)思想開(kāi)發(fā)的嵌入式數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)高頻數(shù)據(jù)信號(hào)的精確采集，又能保證運(yùn)算處理的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，并且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。主控箱功能模塊框圖如圖2所示，系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸控制模塊、主從系統(tǒng)及其外圍器件、主處理器ARM和DSP接口等部分。DSP運(yùn)行速度高，A／D轉(zhuǎn)換芯片與DSP之間可以增加數(shù)據(jù)緩沖器，使相對(duì)低速的數(shù)據(jù)采集和高速器件DSP匹配，采用高速異步FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)傳感數(shù)據(jù)信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換及信號(hào)提取。

圖1 便攜式電梯多功能一體化測(cè)量?jī)x系統(tǒng)整體架構(gòu)

STM32F4xx采用哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)具有更高的指令速度，采用并行流水技術(shù)、片內(nèi)外兩級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、獨(dú)立的加法器和乘法器，其強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力大大提高了整體運(yùn)行速度。以它作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，用以啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換、讀取現(xiàn)場(chǎng)傳感數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)并運(yùn)算分析，使得數(shù)據(jù)處理能力大大提高。

4 系統(tǒng)功能應(yīng)用

4.1 硬件安裝

根據(jù)不同測(cè)試對(duì)象，安裝合適的測(cè)試儀器，這些傳感器件通過(guò)各自的接口電路與主控盒連接。

4.2 測(cè)試過(guò)程

4.2.1 指令下發(fā)

在完成硬件安裝后，可以通過(guò)多種方式進(jìn)行指令下發(fā)：

（1）主控盒鍵盤(pán)按鍵選擇，可以對(duì)單個(gè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，也可多選。

（2）通過(guò)手持式上位機(jī)點(diǎn)擊測(cè)試界面上的功能按鈕下發(fā)測(cè)試指令，指令經(jīng)由無(wú)線通信下發(fā)到主控盒。

（3）在主控盒和上位機(jī)上，都可以通過(guò)按下組合功能按鍵進(jìn)行特定類電梯的所有數(shù)據(jù)檢測(cè)。

在指令下發(fā)成功后，主控盒完成接收指令并發(fā)出測(cè)試命令，在主控盒及上位機(jī)上進(jìn)行反饋指示。

圖2 主控盒功能模塊框圖

4.2.2 數(shù)據(jù)采集

當(dāng)電梯開(kāi)始測(cè)試工況的運(yùn)轉(zhuǎn)后，即可按下采集開(kāi)始按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并保存。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)有默認(rèn)的采集參數(shù)，亦可在采集之前改變（如采樣頻率、測(cè)試次數(shù)等）參數(shù)，主控系統(tǒng)會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)以采集時(shí)刻為參考基準(zhǔn)進(jìn)行保存。對(duì)于不同的測(cè)試參數(shù)，可能需要不同的測(cè)試時(shí)間和工作模式，系統(tǒng)將分別進(jìn)行智能保存，并進(jìn)行提醒。

4.2.3 數(shù)據(jù)顯示

在數(shù)據(jù)采集時(shí)，可以根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示，也可以在完成測(cè)試后對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖顯示。手持上位機(jī)通過(guò)2.4GHz無(wú)線通信方式與主控盒完成實(shí)時(shí)通信。

4.3 測(cè)試分析

完成測(cè)試過(guò)程后，系統(tǒng)可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，并與參考值進(jìn)行比較；對(duì)有偏差的參數(shù)進(jìn)行突出顯示，并根據(jù)需要發(fā)出聲光報(bào)警。根據(jù)需要，測(cè)試數(shù)據(jù)可以通過(guò)Ethernet上發(fā)服務(wù)器，或者通過(guò)USB OTG即插即用功能將數(shù)據(jù)保存到U盤(pán)等移動(dòng)存儲(chǔ)上，從而讓工作人員在PC上進(jìn)行更深入的分析研究，也方便數(shù)據(jù)的備份保存。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)便攜式電梯多參數(shù)一體化測(cè)量?jī)x的研究，解決了以往電梯常用檢驗(yàn)儀器種類較多、不便于攜帶、組裝拆卸繁瑣、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)不便等缺點(diǎn)，大大方便了特種設(shè)備檢驗(yàn)單位、電梯施工安裝單位和維護(hù)保養(yǎng)單位工作人員的現(xiàn)場(chǎng)工作，減少了其工作量，提高了其工作效率，使電梯安全檢測(cè)檢驗(yàn)的各項(xiàng)工作能夠更快速、高效、高質(zhì)地開(kāi)展。

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