基于ARM11的電梯綜合檢測系統(tǒng)的研究

摘要：針對目前電梯檢測過程中工作量大、平衡系數(shù)難以測量、速度和加速度測量不精確以及測量時(shí)需攜帶大量的測量儀器等問題，提出了一種以嵌入式ARM11 S3C6410為核心、以Windows CE 6．0為操作系統(tǒng)并利用了霍爾傳感器和電流互感器等進(jìn)行信號采集的電梯綜合檢測裝置。闡述了系統(tǒng)總計(jì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了速度信號和電流信號的信號采集和處理，利用最小二乘法對測得的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，基于MFC的方式實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互模塊并完成了其他主要功能模塊和驅(qū)動的開發(fā)。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；平衡系數(shù)；ARM11：電梯檢測

0 引言
隨著現(xiàn)代化城市的建設(shè)，電梯被廣泛運(yùn)用于高層建筑中，電梯的安全性十分重要，作為電梯的重要參數(shù)，電梯的運(yùn)行速度以及平衡系數(shù)影響著電梯的運(yùn)行安全。本文針對目前在電梯檢測過程中存在平衡系數(shù)難以精確測量、電梯安裝人員專業(yè)技術(shù)較低、現(xiàn)場測繪作用工作量過大及電梯運(yùn)行速度、加速度測試復(fù)雜且不精確等問題，提出了一款專門針對電梯平衡系數(shù)及速度、加速度的智能檢測系統(tǒng)。
本檢測系統(tǒng)采用了智能化設(shè)計(jì)，它基于32位的ARM處理器S3C6410，并采用了最新的Windows 6．0嵌入式操作系統(tǒng)，同時(shí)在外圍添加各種檢測裝置，通過最小二乘法等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，最終實(shí)現(xiàn)在一臺檢測儀器上同時(shí)完成對電梯速度、加速度以及平衡系數(shù)的檢測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
此系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)，下位機(jī)MCU通過霍爾傳感器和電流互感器來分別采集速度信號和電流信號，并將采集到的信號傳送給上位機(jī)S3C6410。上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和存儲，可以通過LCD觸摸屏來進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和檢測結(jié)果的讀取等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要分為以ARM為核心的上位機(jī)部分和以MCU為核心的下位機(jī)部分。上位機(jī)中采用三星的S3C6410作為處理器，主要包括人機(jī)交互、存儲和無線通信模塊。下位機(jī)部分主要以PIC16F616為核心處理器，包括了速度信號采集和電流信號采集等模塊。
2．1 上位機(jī)部分硬件設(shè)計(jì)
2．1．1 系統(tǒng)顯示模塊
S3C6410是一款低功耗、高性價(jià)比、高性能的RISC處理器，內(nèi)部已經(jīng)集成了LCD控制器，支持TFT彩屏，本系統(tǒng)中采用的是東芝3．5寸的640×480的TFT LCD。Windows CE系統(tǒng)對不同型號的LCD顯示屏提供了驅(qū)動支持，能夠很好地支持各類嵌入式圖形軟件，且對觸摸屏有著良好的支持。
2．1．2 存儲模塊
本系統(tǒng)中的內(nèi)存由256M的NAND Flash和2MBNOR Flash組成，用來完成對內(nèi)核和文件系統(tǒng)以及Bootloader的存儲。同時(shí)，由于檢測的結(jié)果以及整個(gè)檢測過程都要記錄下來，選用了SanDisk的4G存儲卡作為外部存儲介質(zhì)。
2．1．3 無線通信模塊
本系統(tǒng)選擇了目前業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平的APC200A-43無線傳輸模塊。通過其自帶的軟件RFMagic可以很容易地對其進(jìn)行設(shè)置，并完成所需要的功能。S3C6410和PIC16F616分別通過RS232串口與無線模塊進(jìn)行連接，進(jìn)而完成通信和數(shù)據(jù)傳輸。
2．1．4 電源模塊
本系統(tǒng)中共需要3種電壓模式，信號采集模塊的需要電壓為5V，APC200A-43無線傳輸模塊需要的電壓為3．3V，供給CPU的電源電壓則分別為3．3V和1．8V。

如圖2所示，電源的輸入端采用的是5V的直流電源供電，考慮到處理器中需要的電源包括3．3V和1．8V電壓，分別采用LM1085-3．3和AS1117-1．8V電源芯片進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換。
2．2 下位機(jī)部分硬件設(shè)計(jì)
2．2．1 速度信號采集模塊
本系統(tǒng)采用的霍爾元件來測量速度信號，傳感器為A44E，它是一種開關(guān)型元件，工作電壓范圍為4．5V-18V，能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。
電梯運(yùn)行主要是靠曳引機(jī)牽引的，因此，只要測得曳引機(jī)的轉(zhuǎn)速就能得到電梯的運(yùn)行速度。測速的時(shí)候不能影響電梯的正常工作，否則測得的速度就會失去意義。在位于曳引輪轉(zhuǎn)動的軸上面固定一個(gè)120齒的帶磁性的磁鋼齒輪，這樣齒輪就會和曳引輪一起轉(zhuǎn)動，且具有相同的角速度。在正對齒輪的方向放置霍爾傳感器，如圖所示，這樣當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)，霍爾傳感器會感受到一個(gè)個(gè)脈沖，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，就會產(chǎn)生一個(gè)脈沖，這樣根據(jù)脈沖數(shù)即可得到轉(zhuǎn)過的齒數(shù)，進(jìn)而求得齒輪轉(zhuǎn)速。

根據(jù)霍爾傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)處理電路，通過信號的拾取電路、差動放大電路、濾波電路和TTL電平變換，將齒輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的信號處理為標(biāo)準(zhǔn)的方波信號并將其輸送給PIC16F616。
設(shè)t時(shí)間內(nèi)記得的脈沖數(shù)是m，也就是說在t時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的輪齒數(shù)是m，則齒輪轉(zhuǎn)動的角速度為

設(shè)曳引輪的半徑為R，即可求出電梯的運(yùn)行速度
V=ωR
由上位機(jī)設(shè)定脈沖數(shù)n的值，當(dāng)轉(zhuǎn)過第一個(gè)n時(shí)，記下時(shí)間t1，繼續(xù)轉(zhuǎn)到第二個(gè)n時(shí)，記下時(shí)間t2，t2是從第一個(gè)n結(jié)束時(shí)開始計(jì)時(shí)的，這樣求得這兩段的平均角速度ω1和ω2，進(jìn)而求得電梯曳引輪的角加速度

最后得到電梯的加速度為α·R。
2．2．2 電流信號采集模塊
平衡系數(shù)是曳引式驅(qū)動電梯的重要性能指標(biāo)，其實(shí)質(zhì)是設(shè)計(jì)對重的質(zhì)量大小，理想運(yùn)行狀態(tài)是對重的質(zhì)量正好等于轎廂自重加上轎內(nèi)負(fù)載的質(zhì)量。本系統(tǒng)中，電梯平衡系數(shù)是通過電流法進(jìn)行測量，因此要測量不同負(fù)載時(shí)的電流。
電梯是一個(gè)很復(fù)雜的整體系統(tǒng)，在其正常運(yùn)行時(shí)不能將其主線路切斷來測量運(yùn)行時(shí)的電流，這樣也不切實(shí)際，因此，此處利用的是電流互感的原理來測量電流。

圖為電流采集模塊的電流互感器部分，使用時(shí)只需要將夾子打開，將待測量的線路夾在其中，即可引出電流信號，將引出的電流信號進(jìn)行濾波放大后，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后傳送給下位機(jī)PIC16F616。