一種電梯光幕的設(shè)計(jì)

隨著電梯市場的深度發(fā)展，對(duì)電梯光幕的標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，而對(duì)價(jià)格卻提出了進(jìn)一步降本的需求，如何推出高性價(jià)比的智能光幕已成為各廠商的主要議題。

1   產(chǎn)品簡介

電梯光幕是電梯的關(guān)門保護(hù)裝置( 參照?qǐng)D1 ～圖3),可有效實(shí)現(xiàn)在未接觸乘員或物體的情況下實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作。光幕由發(fā)射單元和接收單元組成，根據(jù)是否帶安全觸板安裝結(jié)構(gòu)分為二合一光幕和純光幕兩類^[1]。

圖1 電梯轎層門

圖2 光幕安裝位置

圖3 光幕光柵掃描機(jī)制

1.1 需求信息

目前電梯光幕正朝著具備成本優(yōu)勢的前提下滿足高可靠性、安裝便捷化、應(yīng)用智能化的方向發(fā)展，一句話：市場需要高性價(jià)比的光幕產(chǎn)品，成本控制在180 元以內(nèi)。

1.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

設(shè)計(jì)依據(jù)執(zhí)行GB/T7588.1—2021及電梯應(yīng)用需求。^[2]按照以上要求，充分運(yùn)用多年技術(shù)沉淀和產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)實(shí)施升級(jí)設(shè)計(jì)。

2   整體設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)效果圖

根據(jù)應(yīng)用需求，將光幕是否帶連接安全觸板的安裝結(jié)構(gòu)分為二合一光幕和純光幕兩類。

1）二合一光幕

圖4為二合一光幕整體設(shè)計(jì)效果圖，圖5為截面示意圖。

圖4 二合一光幕整體設(shè)計(jì)效果圖

圖5 二合一光幕截面示意圖

2）純光幕

圖6 為純光幕整體設(shè)計(jì)效果圖，圖7 為截面示意圖。

圖6 純光幕整體設(shè)計(jì)效果圖

圖7 純光幕截面示意圖

2.2 產(chǎn)品架構(gòu)

圖8 產(chǎn)品架構(gòu)圖

2.3 程序流程

1）發(fā)射單元程序流程

發(fā)射單元主要程序流程如圖9 所示。

2）接收單元程序流程

接收單元程序流程如圖10 所示。

圖10 接收單元程序流程圖

3 設(shè)計(jì)特征介紹

3.1 外形結(jié)構(gòu)

3.1.1 安裝結(jié)構(gòu)

1）二合一光幕

①將圖11 所示原二合一光幕結(jié)構(gòu)中，用于安裝觸板的尾部長度由17 mm 縮短至7 mm，便于觸板螺栓的安裝與拆卸同時(shí)減小了產(chǎn)品體積，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖12 所示。改進(jìn)前后觸板固定螺栓如圖13 所示，改進(jìn)前螺帽位于型材內(nèi)部深度7.3 mm，改進(jìn)后螺帽超出型材2.7 mm，這樣大大方便了該螺帽的緊固。

圖11 原二合一光幕結(jié)構(gòu)

圖12 改進(jìn)后的二合一光幕結(jié)構(gòu)

圖13 改進(jìn)前后螺栓安裝對(duì)比圖

②鋁型材內(nèi)部設(shè)計(jì)型腔，增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

③殼體內(nèi)部PCB 板安裝布局方式改進(jìn)為側(cè)面相對(duì)，即與濾光條垂直布局，見圖15 所示。這樣布局能夠有效消除（圖14 中）PCB 板與濾光條平行布局時(shí)近距離電磁干擾問題，即當(dāng)光幕收發(fā)單元靠近時(shí)，發(fā)射單元的PCB 板和接收單元的PCB 板相互平行貼近，導(dǎo)致線路和元件、尤其是發(fā)射驅(qū)動(dòng)脈沖與接收放大電路之間的干擾強(qiáng)度接近有用信號(hào)強(qiáng)度，致使產(chǎn)品可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的工作狀況。^[3]

圖14 元件面相對(duì)布局方式

圖15 元件面同方向，PCB側(cè)面相對(duì)布局方式

2）純光幕

原螺栓安裝板由1.5 mm 厚度的邊條（見圖16），改進(jìn)為型腔結(jié)構(gòu)（見圖17），增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其在安裝時(shí)，不會(huì)因螺栓鎖緊力過大而造成邊條彎曲引起安裝誤差；設(shè)置沉孔內(nèi)置螺帽，使產(chǎn)品裝梯后整體穩(wěn)定美觀。內(nèi)部PCB 板安裝布局方式改進(jìn)為側(cè)面相對(duì)，同二合一光幕。

圖16 原純光幕結(jié)構(gòu)

圖17 改進(jìn)后純光幕結(jié)構(gòu)

3.1.2 二合一光幕濾光條組件

將整體式濾光條（見圖11）更改為嵌入式（見圖12）。

1）結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，有效降低產(chǎn)品成本。

2）去掉整體式濾光條后，PCB 板可以與鋁型材設(shè)置接地連接點(diǎn)，使光幕擁有更強(qiáng)的抗干擾能力。

3）不再需要通過鑄鋁轉(zhuǎn)接板來實(shí)現(xiàn)PCB 與鋁型材的接地連接，即減少了該鑄鋁轉(zhuǎn)接板的成本消耗，見圖18。

3.2 PCB組件

1）全SMT 設(shè)計(jì)

如圖19 所示，將傳統(tǒng)的燈管、板對(duì)板對(duì)插連接器等全部改進(jìn)為貼片封裝，實(shí)現(xiàn)整板全SMT 工藝，有效的減少了人工提高了產(chǎn)能，自動(dòng)化工藝的批量運(yùn)用，使品質(zhì)一致性得到了進(jìn)一步的提升。

圖19 新老PCB布局對(duì)比圖

2）光眼布局與數(shù)量設(shè)置

如圖20 所示，36 對(duì)光眼采用等間距局，排列方式簡單，便于批量生產(chǎn)工藝的實(shí)現(xiàn)。

燈管數(shù)量設(shè)置既要符合標(biāo)準(zhǔn)要求又要兼顧成本優(yōu)勢和實(shí)用性，根據(jù)GB/T7588.1—2021 相關(guān)要求，光幕保護(hù)范圍至少覆蓋門坎以上（25~1 600）mm 的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域其實(shí)也是一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的區(qū)間。又因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小遮擋物的最大直徑為50 mm，所以光眼間距不能大于50 mm。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明，要確保測試緩慢移動(dòng)50 mm 遮擋物（移動(dòng)速度（3~5）mm/s）沒有盲點(diǎn)，光眼間距設(shè)置在46 mm 較為合適。實(shí)際布局時(shí)，最下面的燈管幾乎在線路板的板邊，所以燈管數(shù)量估算為1 600/46 = 34.78，即35 對(duì)燈管，為留有裕量不讓參數(shù)徘徊在標(biāo)準(zhǔn)線上，將燈管設(shè)置為36 對(duì)，這樣既符合標(biāo)準(zhǔn)要求，也適應(yīng)市場降本需要。相反，因產(chǎn)品內(nèi)部有信號(hào)放大電路，若燈管設(shè)置數(shù)量過多，對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性也可能帶來隱患。

圖20 光眼等距布局示意圖

3）芯片國產(chǎn)化

芯片是光幕的核心部件，一直以來光幕多采用美國微芯公司的微處理器（MCU），近幾年由于疫情及美國芯片封鎖政策的影響，芯片價(jià)格高交期慢已成為國內(nèi)制造廠商不可忽視的問題，最終必然會(huì)波及產(chǎn)品交期、成本和品質(zhì)。本方案選用國產(chǎn)芯片取代進(jìn)口芯片，芯片價(jià)格低、質(zhì)量穩(wěn)定且交期短，是光幕批量生產(chǎn)及穩(wěn)定投放市場的重要保障。

4）抗干擾設(shè)計(jì)

在光幕主板上設(shè)置RLC 抑制電路，供電電路中設(shè)置共模、差模抑制電路，端口及關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置TVS、VDR、PTC 等瞬時(shí)脈沖吸收電路，優(yōu)化設(shè)計(jì)供電層和接地層，綜合提升光幕的抗干擾能力。

3.3 代碼

1）光電采集方式

光電采集分電平采集和AD 采集兩種方式，電平采集雖然速度快，但是只能判斷高低兩種電平狀態(tài)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TTL 電平定義，輸入電平≥ 2 V 方能判為高電平。而AD 采集可以精確判斷每個(gè)光電管輸出的電壓值，并且每個(gè)信號(hào)可連續(xù)采集13 次，足夠光幕進(jìn)行穩(wěn)定判斷處理。

相比而言，電平采集方式有時(shí)候就容易出現(xiàn)誤判的情形。例如，使用50 mm 最小遮擋物進(jìn)行遮擋時(shí)，捕捉到圖21 所示波形，紅色箭頭所指脈沖系被遮擋后的狀態(tài)，此時(shí)其最高電平約為2.15 V，因其最高電壓大于2 V，運(yùn)用電平采集法則判斷為信號(hào)檢測正常而導(dǎo)致光幕輸出無遮擋狀態(tài)，與實(shí)際情況不符。如果運(yùn)用AD 采集法時(shí)，設(shè)置相對(duì)閾值為2.5 V，經(jīng)多次采集信號(hào)均低于2.5 V，即接收不到信號(hào)，判定為遮擋狀態(tài)，與實(shí)際情況相一致。

圖21 50 mm最小遮擋物遮擋脈沖

2）盲點(diǎn)算法

光幕收發(fā)單元距離較近時(shí)，采用交叉光束取代平行光束掃描算法，確保光幕探測精度，平行光束掃描方式如圖22 所示，運(yùn)用50 mm 最小遮擋物遮擋時(shí)，由于近距離光強(qiáng)度高以及遮擋物邊界折射等原因，接收到的信號(hào)衰弱不明顯，尤其在慢速遮擋測試時(shí)（移動(dòng)速度（3~5）mm/s）出現(xiàn)盲點(diǎn)的概率較高。交叉光束掃描方式如圖23 所示，運(yùn)用上下兩束交叉光束進(jìn)行掃描檢測，再運(yùn)用算法進(jìn)行綜合判斷，這樣能夠顯著分辨出遮擋信號(hào)，更穩(wěn)定地識(shí)別遮擋。

圖22 平行光束掃描算法

圖23 交叉光束掃描算法

3）距離探測設(shè)計(jì)

獨(dú)創(chuàng)“時(shí)分復(fù)用”的距離探測模式，運(yùn)用36 對(duì)光眼中的幾對(duì)光眼在掃描周期內(nèi)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，基于自創(chuàng)專用多任務(wù)系統(tǒng)算法，每40 ms 刷新1 次距離標(biāo)志，即實(shí)時(shí)更新距離信息。傳統(tǒng)光幕通常會(huì)在收發(fā)單元上單設(shè)幾對(duì)專用距離傳感器電路用于距離探測，得益于“時(shí)分復(fù)用”技術(shù)的應(yīng)用可以有效簡化硬件電路，提高整機(jī)穩(wěn)定性，節(jié)省成本。

4）多任務(wù)機(jī)制

光幕接收單元代碼主要由端口處理（包括同步檢測、CHECK 檢測等）、光束掃描、信號(hào)處理、輸出和指示處理、任務(wù)算法及異常處理等6 個(gè)模塊構(gòu)成。使用自主開發(fā)專用多任務(wù)系統(tǒng)，主要分4 個(gè)任務(wù)運(yùn)行，包括同步檢測、光束掃描和信號(hào)處理，CHECK 端口檢測，開關(guān)門檢測，輸出和指示處理（光幕狀態(tài)）。當(dāng)CHECK 端口檢測到模式切換信號(hào)后，判斷處理后選擇A/B 模式。當(dāng)光幕開關(guān)門時(shí)，判斷處理輸出I 型/II 型脈沖，當(dāng)光幕狀態(tài)變化時(shí)通過輸出和指示處理任務(wù)模塊刷新輸出以及LED 指示燈顏色。多任務(wù)主體分布如圖24 所示。

得益于運(yùn)用以上多任務(wù)機(jī)制，光幕的輸出響應(yīng)時(shí)間可以有效減少到20 ms 級(jí)別，可以完美展現(xiàn)“遮擋即所得”的實(shí)時(shí)效果。

圖24 多任務(wù)分配

5）抗干擾設(shè)計(jì)

同步信號(hào)線連接于光幕的發(fā)射單元和接收單元之間，穩(wěn)定可靠的同步信號(hào)是光幕正常工作的前提條件。當(dāng)光幕面臨復(fù)雜電磁環(huán)境時(shí)，同步信號(hào)線難免會(huì)受干擾信號(hào)影響，同步信號(hào)一旦被干擾，則會(huì)影響光幕的輸出狀態(tài)，導(dǎo)致工作異常。對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行特征識(shí)別以及干擾抓取處理，可有效屏蔽干擾脈沖，大幅提高光幕的可靠性。抗干擾處理機(jī)制如圖25 所示。

圖25 抗干擾處理機(jī)制

4   結(jié)束語

技術(shù)方案從總體設(shè)計(jì)到各模塊設(shè)計(jì)均緊密融合了可靠性原則^[4]，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用結(jié)構(gòu)、工藝、軟件、硬件技術(shù)解決了降本需求。設(shè)計(jì)中吸取了過去的產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，規(guī)避了一些問題點(diǎn)。近距離時(shí)，發(fā)射和接收單元的PCB 板正面（元件面）平行會(huì)出現(xiàn)相互干擾的問題，本版采用PCB 板側(cè)面相對(duì)的布局方式，以可靠消除相互干擾；光幕中均設(shè)置了可靠的接地連接點(diǎn)位，PCB 板均通過先進(jìn)的EDA 仿真軟件優(yōu)化了電源層和接地層的布局，完美適配了電磁兼容性；PCB 設(shè)計(jì)中充分平衡了成本與可靠性，實(shí)現(xiàn)超高性價(jià)比的效果，這種設(shè)計(jì)思想充分體現(xiàn)在光眼數(shù)量設(shè)置、SMT 工藝、各種抗干擾抑制電路等具體模塊的設(shè)計(jì)中；采用自主設(shè)計(jì)的光幕專用“多任務(wù)”系統(tǒng)，有效縮短產(chǎn)品輸出響應(yīng)時(shí)間；獨(dú)創(chuàng)近距離交叉光束盲點(diǎn)算法，在用50 mm 最小遮擋物進(jìn)行慢速測試時(shí)（移動(dòng)速度（3~5）mm/s），此種光幕能夠顯現(xiàn)出更優(yōu)秀的盲點(diǎn)探測性能；軟件設(shè)計(jì)中運(yùn)用了同步信號(hào)干擾屏蔽算法，能夠在部分復(fù)雜電磁環(huán)境下屏蔽脈沖干擾。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）