基于μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的電梯檢測(cè)通用控制儀*

孫學(xué)禮 劉英杰

技術(shù)應(yīng)用

基于μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的電梯檢測(cè)通用控制儀*

孫學(xué)禮 劉英杰

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院研發(fā)中心，廣東 廣州 510663）

針對(duì)一系列電梯檢測(cè)儀器的控制儀存在功能相近、重復(fù)開發(fā)的問題，設(shè)計(jì)一種基于μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的電梯檢測(cè)通用控制儀。該控制儀由信號(hào)采集、電機(jī)控制和手持控制等模塊組成，且根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，可選擇信號(hào)采集模塊和電機(jī)控制模塊的數(shù)量；各模塊之間通過ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。該控制儀適用于多種特種設(shè)備檢測(cè)儀器，如電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀、電梯超載開關(guān)檢測(cè)儀、電梯無(wú)載靜態(tài)曳引試驗(yàn)檢測(cè)儀等，并具有較好的可擴(kuò)展性，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)節(jié)省成本、節(jié)約時(shí)間。

電梯檢測(cè)通用控制儀；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；ZigBee

0　引言

近年來，有關(guān)研究人員針對(duì)電梯檢測(cè)開發(fā)了一系列儀器，如電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀[1]、電梯超載開關(guān)檢測(cè)儀[2]、電梯無(wú)載靜態(tài)曳引試驗(yàn)檢測(cè)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(hào)、控制電機(jī)等），若都單獨(dú)開發(fā)一套獨(dú)立控制儀，開發(fā)周期長(zhǎng)且資源重復(fù)浪費(fèi)。基于前期研究基礎(chǔ)，本文采用μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)適用于多種電梯檢測(cè)儀器的通用控制儀，操作簡(jiǎn)單，并預(yù)留功能擴(kuò)展接口，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)提供支持。

1　控制儀總體設(shè)計(jì)

基于μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的電梯檢測(cè)通用控制儀（以下簡(jiǎn)稱控制儀）由手持控制模塊、信號(hào)采集模塊及電機(jī)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(hào)采集模塊傳送的信息以及向電機(jī)控制模塊發(fā)送控制指令。

電機(jī)控制模塊根據(jù)手持控制模塊發(fā)送的指令，控制伺服電機(jī)啟停、工作模式以及轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩。

信號(hào)采集模塊采集、處理檢測(cè)儀器配套傳感器的值，無(wú)線傳送給手持控制模塊，并將此信號(hào)作為閉環(huán)控制的反饋信號(hào)傳送給電機(jī)控制模塊，調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩。

為保證控制儀的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，電機(jī)控制模塊和手持控制模塊移植μC/OS-III嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在一套電梯檢測(cè)儀器中，通常有1個(gè)手持控制模塊、多個(gè)信號(hào)采集模塊和電機(jī)控制模塊，各模塊之間通信網(wǎng)絡(luò)為星狀結(jié)構(gòu)，即以手持控制模塊為中心節(jié)點(diǎn)，其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均與其連接。本文采用基于802.15.4的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，滿足該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模塊間通信要求。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1　信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊硬件組成框圖如圖2所示。

圖2　信號(hào)采集模塊硬件組成框圖

信號(hào)采集模塊以STM32F103RB為主控芯片，負(fù)責(zé)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換、無(wú)線通信數(shù)據(jù)處理、電池電量監(jiān)測(cè)等。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7190將傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(wú)線通信芯片CC2530提供一個(gè)IEEE 802.15.4兼容無(wú)線收發(fā)器，增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051 MCU，系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，8 kB RAM，結(jié)合德州儀器的ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack），可滿足控制儀無(wú)線信號(hào)的傳輸需求[5]；信號(hào)采集模塊由電池供電，采用STM32內(nèi)部的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行電池剩余電量監(jiān)控[6]。

2.2　電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊硬件組成框圖如圖3所示。

圖3　電機(jī)控制模塊硬件組成框圖

電機(jī)控制模塊以STM32F407VG為主控芯片，負(fù)責(zé)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換、NPN型硅管開關(guān)、無(wú)線通信數(shù)據(jù)處理、供電電壓監(jiān)測(cè)等。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片選用2個(gè)AD5689，其是一款低功耗、雙通道、16位緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器[7]，配合運(yùn)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(jī)的速度模式與控制模式的控制信號(hào)[8]；NPN型硅管S8050用于控制電機(jī)開關(guān)[9]；無(wú)線通信芯片CC2530與手持控制模塊通信；電機(jī)控制模塊留有接口與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，單個(gè)模塊最多可控制4臺(tái)伺服電機(jī)；電機(jī)控制模塊采用220 V交流電源整流后的電源供電，由STM32內(nèi)部A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行直流供電電壓監(jiān)測(cè)。

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(fù)責(zé)與串口屏通信、無(wú)線通信數(shù)據(jù)處理、電池電量監(jiān)測(cè)等。串口屏采用TJC8048K050_011[10]；無(wú)線通信芯片CC2530與信號(hào)采集模塊、電機(jī)控制模塊通信。

3　軟件設(shè)計(jì)

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

3.1 信號(hào)采集模塊程序

信號(hào)采集模塊程序主要實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)采集、電池電量監(jiān)測(cè)等功能。傳感器信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給手持控制模塊和電機(jī)控制模塊，程序流程圖如圖5所示。信號(hào)采集模塊功能相對(duì)簡(jiǎn)單，沒有采用μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，AD7190和電池電壓采樣在2個(gè)定時(shí)器內(nèi)完成，兩者的采樣周期由手持控制模塊設(shè)定。

圖5　信號(hào)采集模塊程序流程圖

3.2　電機(jī)控制模塊程序

電機(jī)控制模塊程序流程圖如圖6所示，μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)電機(jī)控制、無(wú)線信號(hào)接收處理和電池電量監(jiān)測(cè)3項(xiàng)任務(wù)。其中，無(wú)線信號(hào)接收處理任務(wù)用于接收、處理手持控制模塊傳送的信息，優(yōu)先級(jí)最高，不允許遺漏接收內(nèi)容；電機(jī)控制任務(wù)用于控制電機(jī)的啟、停、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，優(yōu)先級(jí)僅次于無(wú)線信號(hào)接收處理任務(wù)；電池電量監(jiān)測(cè)任務(wù)用于監(jiān)測(cè)電池的電量，采樣周期低，優(yōu)先級(jí)最低。

圖6　電機(jī)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)串口屏交互、無(wú)線信號(hào)接收處理、計(jì)時(shí)和電池電量監(jiān)測(cè)4項(xiàng)任務(wù)。其中，串口屏交互任務(wù)用于接收、處理串口屏發(fā)出的指令，優(yōu)先級(jí)最高，不允許遺漏接收內(nèi)容；無(wú)線信號(hào)接收處理任務(wù)用于控制伺服電機(jī)，接收、處理信號(hào)采集模塊傳送的數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)僅次于串口屏交互任務(wù)；計(jì)時(shí)任務(wù)用于計(jì)時(shí)某些檢測(cè)過程持續(xù)的時(shí)間，優(yōu)先級(jí)低于串口屏交互任務(wù)；電池電量監(jiān)測(cè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低。

3.4　串口屏人機(jī)界面

串口屏人機(jī)界面包括開機(jī)、電梯平衡系數(shù)測(cè)試、電梯超載開關(guān)測(cè)試和電梯靜態(tài)曳引試驗(yàn)等，分別如圖8～11所示。

控制儀開機(jī)進(jìn)入圖8界面，可選擇檢測(cè)內(nèi)容、無(wú)線聯(lián)網(wǎng)設(shè)置。

圖8　開機(jī)界面

選擇進(jìn)入電梯平衡系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)后，界面如圖9所示，有實(shí)時(shí)重量顯示、轎廂側(cè)重量、對(duì)重側(cè)重量、額定載荷、曳引比和計(jì)算6個(gè)窗口。其中，實(shí)時(shí)重量顯示的數(shù)值為測(cè)試的實(shí)時(shí)重量，當(dāng)該數(shù)值穩(wěn)定后，可選擇轎廂側(cè)重量/對(duì)重側(cè)重量按鈕將數(shù)值保存；額定載荷根據(jù)電梯的實(shí)際情況進(jìn)行手動(dòng)輸入；點(diǎn)擊曳引比，有1:1、2:1及4:1選項(xiàng)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

圖9　電梯平衡系數(shù)測(cè)試界面

電梯超載開關(guān)測(cè)試界面如圖10所示。施加負(fù)載值窗口實(shí)時(shí)顯示超載開關(guān)測(cè)試儀施加于電梯的力值；可手動(dòng)輸入電梯額定載荷值；可選4臺(tái)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)。

圖10　電梯超載開關(guān)測(cè)試界面

電梯靜態(tài)曳引試驗(yàn)界面如圖11所示。在施力值設(shè)定窗口設(shè)定預(yù)施加的力值，電機(jī)根據(jù)該設(shè)定值和施力實(shí)時(shí)值調(diào)整轉(zhuǎn)矩；點(diǎn)擊開始按鈕，開始施加力；施加于鋼絲繩上的力穩(wěn)定后，點(diǎn)擊計(jì)時(shí)按鈕開始計(jì)時(shí)；點(diǎn)擊暫停按鈕電機(jī)停止運(yùn)行；點(diǎn)擊復(fù)位按鈕，電機(jī)反轉(zhuǎn)撤銷所施加的力。

圖11　電梯靜態(tài)曳引試驗(yàn)界面

4　應(yīng)用

目前，控制儀可應(yīng)用于電梯平衡系數(shù)測(cè)試、電梯超載開關(guān)測(cè)試以及電梯靜態(tài)曳引試驗(yàn)，下面以電梯靜態(tài)曳引試驗(yàn)為例作介紹。

電梯靜態(tài)曳引試驗(yàn)檢測(cè)儀利用伺服電機(jī)施力替代載荷，實(shí)現(xiàn)電梯靜態(tài)曳引試驗(yàn)無(wú)載檢測(cè)，安裝示意圖如圖12所示。

圖12　電梯靜態(tài)曳引試驗(yàn)檢測(cè)儀安裝示意圖

測(cè)試時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(jī)固定梁上不能移動(dòng)，夾塊對(duì)夾持的曳引鋼絲繩產(chǎn)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(tài)曳引試驗(yàn)檢測(cè)儀的控制儀組成如圖13所示，采用1個(gè)手持控制模塊、2個(gè)信號(hào)采集模塊和1個(gè)電機(jī)控制模塊。手持控制模塊收集信號(hào)采集模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)向電機(jī)控制模塊發(fā)送指令；信號(hào)采集模塊采集拉力傳感器的值，并發(fā)送給手持控制模塊；電機(jī)控制模塊根據(jù)手持控制模塊所傳送的指令，選擇轉(zhuǎn)矩控制模式及轉(zhuǎn)矩大小。

圖13　電梯靜態(tài)曳引試驗(yàn)控制儀組成框圖

5　結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于μC/OS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的電梯檢測(cè)通用控制儀，可通用于電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀、電梯超載開關(guān)檢測(cè)儀及電梯靜態(tài)曳引試驗(yàn)檢測(cè)儀，同樣也適用而正在開發(fā)的自動(dòng)扶梯梳齒板保護(hù)開關(guān)測(cè)試儀[11]。該通用控制儀的開發(fā)，有效縮短檢測(cè)儀器的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

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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(chǎng)監(jiān)督管理局科技項(xiàng)目（2020CT07）；廣東省特種設(shè)備安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目（2021B1111600002）。

孫學(xué)禮，男，1982年生，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向：檢測(cè)儀器開發(fā)，包括電氣設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、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