基于ADXL362的電梯加速度無線測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

梁敏健 黃永堅(jiān)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種基于ADXL362的電梯加速度測量系統(tǒng)，采用了數(shù)字式MEMS三軸加速度傳感器ADXL362代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分立元件及電路，縮小了系統(tǒng)的體積、降低了成本，并提高了可靠性。使用WIFI傳輸技術(shù)避免了現(xiàn)場接線的繁瑣。使用平板電腦及開發(fā)的應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理分析，并顯示檢測結(jié)果，提高了檢測效率。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)操作簡單、工作穩(wěn)定、檢測準(zhǔn)確，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電梯加速度；MEMS；WIFI

0 引言

隨著電梯在高層建筑的普及應(yīng)用，人們在乘坐電梯時(shí)對其穩(wěn)定性和舒適性的要求也越來越高。我國評(píng)價(jià)電梯承運(yùn)質(zhì)量的主要依據(jù)是GB/T10058-2009《電梯技術(shù)條件》，而對相關(guān)參數(shù)的采集及數(shù)據(jù)處理要求則是依據(jù)GB/T24474-2009《電梯承運(yùn)質(zhì)量測量》。

目前，國際上常用于檢測電梯（扶梯）運(yùn)行狀況的重要工具是EVA-625系統(tǒng)和EVA振動(dòng)分析工具軟件，它是一個(gè)記錄和分析電梯（扶梯）運(yùn)行狀況的組合體，在中國還未大面積使用。本文提出了一種基于MEMS的電梯加速度無線測量系統(tǒng)，采用MCU和MEMS三軸加速度傳感器對電梯運(yùn)行的三個(gè)方向（三維）的振動(dòng)加速度（X軸為轎廂前后方向，Y軸為轎廂左右方向、Z軸為轎廂上下方向）進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄，并利用無線WiFi技術(shù)傳輸?shù)绞殖纸K端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

整個(gè)測量系統(tǒng)由一個(gè)轎廂振動(dòng)檢測傳感系統(tǒng)和一個(gè)手持終端組成。轎廂振動(dòng)檢測傳感系統(tǒng)由電源管理模塊、三軸加速度傳感器模塊、微處理器模塊及無線通信模塊組成。三軸加速度傳感器在微處理器的控制下對電梯轎廂三軸加速度進(jìn)行采集，把加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)送入微處理器。微處理器作為控制、運(yùn)算處理中心，一方面可按程序?qū)θS加速度傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和控制，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)采樣；一方面把采樣數(shù)據(jù)封裝成包，通過無線通信模塊發(fā)射到手持終端上。無線通信模塊負(fù)責(zé)電梯轎廂振動(dòng)檢測傳感系統(tǒng)和手持終端間的無線通信。電源管理模塊負(fù)責(zé)電池的充放電管理及模塊所需各種電源的轉(zhuǎn)換。手持終端負(fù)責(zé)對測量系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、處理及顯示。無線手持終端需要具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，而且要求方便攜帶，操作簡單，可以采用小尺寸平板電腦。

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 三軸加速度傳感器模塊

三軸加速度傳感器模塊要完成被測信號(hào)到模擬電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字控制接口等多種功能，是整個(gè)測量系統(tǒng)的關(guān)鍵，其性能影響整個(gè)測量系統(tǒng)的精度和可靠性。

本設(shè)計(jì)采用了MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)傳感器）ADXL362。ADXL362是ADI公司的微功耗三軸加速度傳感器，數(shù)字型輸出、體積小、輸出范圍±2g～±8g可程控，噪音可低至175 ，分辨率可達(dá)1mg/LSB。ADXL362內(nèi)部功能框圖如圖1所示，內(nèi)部集成了三軸加速度計(jì)、放大器、解調(diào)器、抗混疊濾波器、A/D轉(zhuǎn)換、FIFO、SPI接口、溫度傳感器等多個(gè)功能模塊。ADXL362傳感器模塊電路中每個(gè)電源管腳附近放置一個(gè)0.1μF的貼片陶瓷電容進(jìn)行去耦，ADXL362采集到的數(shù)據(jù)通過SPI總線輸出到微處理器。

2.2 微處理器模塊

微處理器是整個(gè)測量系統(tǒng)的控制核心，因此要求微處理器運(yùn)算速度快，而且具有足夠的RAM。本系統(tǒng)采用ST公司的Cortex M3內(nèi)核處理器STM32F103T8為主控芯片。微處理器模塊電路系統(tǒng)采用了MAXIM公司的MAX803作為系統(tǒng)電源的監(jiān)控，為了保證微處理器的工作可靠穩(wěn)定，在處理器的每個(gè)電源管腳附近放置一個(gè)0.1uF的貼片陶瓷電容以實(shí)現(xiàn)電源去耦。

2.3 電源管理系統(tǒng)

電源管理系統(tǒng)電路如圖2所示，本測量系統(tǒng)采用鋰電池供電，為了簡化設(shè)計(jì)和提高系統(tǒng)可靠性，選用了帶充放電保護(hù)電路及電量監(jiān)測報(bào)警功能的電池模塊。電池的電壓在3.7～4.2V之間。充電接口與電池模塊之間放置TVS管，以吸收防浪涌和瞬態(tài)干擾，防止對電池模塊和整個(gè)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響甚至損壞。因?yàn)殡姵刈畹碗妷号c系統(tǒng)電源電壓之間僅有0.4V，因此要選用超低壓差的線性穩(wěn)壓器（ULDO）才能滿足要求。TPS79333在滿載時(shí)輸入輸出壓降不超過0.18V，而且具有很高的電源紋波抑制比（PSRR），能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

2.4 數(shù)據(jù)無線傳輸模塊

為使該系統(tǒng)具有良好的兼容性，能充分利用目前主流手持終端自帶的無線傳輸功能，本系統(tǒng)的無線傳輸使用wifi技術(shù)，較其它通信方式相比具有速度高、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。該模塊體積小、成本低、功耗小、使用簡單，特別適合用于電池供電的無線傳感器的設(shè)計(jì)。無線傳輸模塊電路中UT-9011-SMD的UART接口與微處理器的UART接口相連，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；UT-9011-SMD的nLink管腳連接1個(gè)LED指示燈，當(dāng)wifi有連接時(shí)，指示燈會(huì)亮；模塊的nRST是復(fù)位輸入接口，nReady是模塊啟動(dòng)狀態(tài)輸出接口，nReload是恢復(fù)出廠設(shè)置輸入接口，分別連接到微處理器的通用I/O接口，由微處理器進(jìn)行控制或讀取相關(guān)狀態(tài)；模塊使用2.4GHz外置天線以提高接收和發(fā)射能力。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

ARM下位機(jī)軟件流程圖如圖3所示。電源開啟系統(tǒng)上電運(yùn)行后進(jìn)入主函數(shù)運(yùn)行，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化程序，完成后利用SPI總線對MEMS三軸加速度傳感器ADXL362進(jìn)行初始化和參數(shù)設(shè)置。傳感器的量程選擇±2g；抗混疊濾波器的帶寬選擇為采樣率的1/4；傳感器的工作模式設(shè)置為超低噪聲模式（噪聲水平175 ）；無線傳輸模塊使用UART與微處理器通信，通過AT+指令集的方式設(shè)置通信波特率為230400bps、AP工作模式。所有外表設(shè)備完成初始化后系統(tǒng)進(jìn)入while循環(huán)查詢模式，當(dāng)處理器接收到無線終端發(fā)送的“數(shù)據(jù)采集”命令，處理器通過SPI總線采集加速度數(shù)據(jù)并啟動(dòng)發(fā)送子程序，通過無線傳輸模塊發(fā)送給手持無線終端；當(dāng)處理器收到“停止采集”命令后，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集及停止發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)入等待狀態(tài)。

3.2 手持終端及數(shù)據(jù)處理

手持終端用于人機(jī)交換、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理、顯示，因此，手持終端首先需要有良好的人機(jī)互動(dòng)界面和具備一定數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，其次需要功耗低、體積小、適合電池供電以便于外出檢驗(yàn)攜帶，同時(shí)還應(yīng)具有低成本的優(yōu)勢，綜合以上考慮選擇市面主流android平板電腦。目前市面上主流android平板電腦都自帶wifi通信模塊，可連接到下位機(jī)建立的無線網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)進(jìn)行通信。使用Java語言設(shè)計(jì)了應(yīng)用軟件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、曲線顯示、數(shù)據(jù)處理分析和保存等功能。

4 試驗(yàn)與結(jié)果

使用該測量系統(tǒng)對一臺(tái)4層4站額定速度為1.75m/s的電梯運(yùn)行全程進(jìn)行了多次測試，通過數(shù)據(jù)結(jié)果與EVA-625儀器的檢測結(jié)果對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，重復(fù)性和穩(wěn)定性好。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳建宇.EVA-625測試儀在檢測電梯垂直振動(dòng)源的應(yīng)用.福建農(nóng)機(jī)，2010（3）：55-58.

[2] 陳景琪，張兵，蘇燕辰.基于MEMS的列車舒適度、平穩(wěn)性無線傳感器設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器，2014（11）：4-6.

[3] ADXL362：微功耗三軸MEMS加速度計(jì)解決方案.世界電子元器件，2012（9）：12-14.

[4] 美國MAXIM公司.MAX803數(shù)據(jù)手冊.

[5] 深圳宇泰科技公司無線通信模塊UT-9011-SMD數(shù)據(jù)手冊.