基于ADXL362的电梯加速度无线测量系统的设计

梁敏健 黄永坚

摘 要：本文设计了一种基于ADXL362的电梯加速度测量系统，采用了数字式MEMS三轴加速度传感器ADXL362代替传统的分立元件及电路，缩小了系统的体积、降低了成本，并提高了可靠性。使用WIFI传输技术避免了现场接线的繁琐。使用平板电脑及开发的应用软件对数据进行实时采集和处理分析，并显示检测结果，提高了检测效率。实验表明该系统操作简单、工作稳定、检测准确，具有良好的应用前景。

关键词：电梯加速度；MEMS；WIFI

0 引言

随着电梯在高层建筑的普及应用，人们在乘坐电梯时对其稳定性和舒适性的要求也越来越高。我国评价电梯承运质量的主要依据是GB/T10058-2009《电梯技术条件》，而对相关参数的采集及数据处理要求则是依据GB/T24474-2009《电梯承运质量测量》。

目前，国际上常用于检测电梯（扶梯）运行状况的重要工具是EVA-625系统和EVA振动分析工具软件，它是一个记录和分析电梯（扶梯）运行状况的组合体，在中国还未大面积使用。本文提出了一种基于MEMS的电梯加速度无线测量系统，采用MCU和MEMS三轴加速度传感器对电梯运行的三个方向（三维）的振动加速度（X轴为轿厢前后方向，Y轴为轿厢左右方向、Z轴为轿厢上下方向）进行实时采集和记录，并利用无线WiFi技术传输到手持终端进行数据处理和显示。

1 系统总体方案设计

整个测量系统由一个轿厢振动检测传感系统和一个手持终端组成。轿厢振动检测传感系统由电源管理模块、三轴加速度传感器模块、微处理器模块及无线通信模块组成。三轴加速度传感器在微处理器的控制下对电梯轿厢三轴加速度进行采集，把加速度信号转化成数据送入微处理器。微处理器作为控制、运算处理中心，一方面可按程序对三轴加速度传感器进行参数设置和控制，以实现连续实时采样；一方面把采样数据封装成包，通过无线通信模块发射到手持终端上。无线通信模块负责电梯轿厢振动检测传感系统和手持终端间的无线通信。电源管理模块负责电池的充放电管理及模块所需各种电源的转换。手持终端负责对测量系统的控制、数据的实时接收、处理及显示。无线手持终端需要具有一定的数据处理能力，而且要求方便携带，操作简单，可以采用小尺寸平板电脑。

2 硬件系统的设计

2.1 三轴加速度传感器模块

三轴加速度传感器模块要完成被测信号到模拟电信号的转换，抗混叠滤波、A/D转换，数字控制接口等多种功能，是整个测量系统的关键，其性能影响整个测量系统的精度和可靠性。

本设计采用了MEMS（微机电系统传感器）ADXL362。ADXL362是ADI公司的微功耗三轴加速度传感器，数字型输出、体积小、输出范围±2g～±8g可程控，噪音可低至175 ，分辨率可达1mg/LSB。ADXL362内部功能框图如图1所示，内部集成了三轴加速度计、放大器、解调器、抗混叠滤波器、A/D转换、FIFO、SPI接口、温度传感器等多个功能模块。ADXL362传感器模块电路中每个电源管脚附近放置一个0.1μF的贴片陶瓷电容进行去耦，ADXL362采集到的数据通过SPI总线输出到微处理器。

2.2 微处理器模块

微处理器是整个测量系统的控制核心，因此要求微处理器运算速度快，而且具有足够的RAM。本系统采用ST公司的Cortex M3内核处理器STM32F103T8为主控芯片。微处理器模块电路系统采用了MAXIM公司的MAX803作为系统电源的监控，为了保证微处理器的工作可靠稳定，在处理器的每个电源管脚附近放置一个0.1uF的贴片陶瓷电容以实现电源去耦。

2.3 电源管理系统

电源管理系统电路如图2所示，本测量系统采用锂电池供电，为了简化设计和提高系统可靠性，选用了带充放电保护电路及电量监测报警功能的电池模块。电池的电压在3.7～4.2V之间。充电接口与电池模块之间放置TVS管，以吸收防浪涌和瞬态干扰，防止对电池模块和整个系统造成严重影响甚至损坏。因为电池最低电压与系统电源电压之间仅有0.4V，因此要选用超低压差的线性稳压器（ULDO）才能满足要求。TPS79333在满载时输入输出压降不超过0.18V，而且具有很高的电源纹波抑制比（PSRR），能为系统提供稳定的电源。

2.4 数据无线传输模块

为使该系统具有良好的兼容性，能充分利用目前主流手持终端自带的无线传输功能，本系统的无线传输使用wifi技术，较其它通信方式相比具有速度高、传输距离远的优点。该模块体积小、成本低、功耗小、使用简单，特别适合用于电池供电的无线传感器的设计。无线传输模块电路中UT-9011-SMD的UART接口与微处理器的UART接口相连，以实现数据传输；UT-9011-SMD的nLink管脚连接1个LED指示灯，当wifi有连接时，指示灯会亮；模块的nRST是复位输入接口，nReady是模块启动状态输出接口，nReload是恢复出厂设置输入接口，分别连接到微处理器的通用I/O接口，由微处理器进行控制或读取相关状态；模块使用2.4GHz外置天线以提高接收和发射能力。

3 软件设计

3.1 下位机软件设计

ARM下位机软件流程图如图3所示。电源开启系统上电运行后进入主函数运行，首先进行系统初始化程序，完成后利用SPI总线对MEMS三轴加速度传感器ADXL362进行初始化和参数设置。传感器的量程选择±2g；抗混叠滤波器的带宽选择为采样率的1/4；传感器的工作模式设置为超低噪声模式（噪声水平175 ）；无线传输模块使用UART与微处理器通信，通过AT+指令集的方式设置通信波特率为230400bps、AP工作模式。所有外表设备完成初始化后系统进入while循环查询模式，当处理器接收到无线终端发送的“数据采集”命令，处理器通过SPI总线采集加速度数据并启动发送子程序，通过无线传输模块发送给手持无线终端；当处理器收到“停止采集”命令后，关闭数据采集及停止发送数据，进入等待状态。

3.2 手持终端及数据处理

手持终端用于人机交换、数据接收和数据处理、显示，因此，手持终端首先需要有良好的人机互动界面和具备一定数据处理和运算能力，其次需要功耗低、体积小、适合电池供电以便于外出检验携带，同时还应具有低成本的优势，综合以上考虑选择市面主流android平板电脑。目前市面上主流android平板电脑都自带wifi通信模块，可连接到下位机建立的无线网络与下位机进行通信。使用Java语言设计了应用软件，可实现数据采集、曲线显示、数据处理分析和保存等功能。

4 试验与结果

使用该测量系统对一台4层4站额定速度为1.75m/s的电梯运行全程进行了多次测试，通过数据结果与EVA-625仪器的检测结果对比。实验结果证明该检测系统数据准确，重复性和稳定性好。

参考文献

[1] 陈建宇.EVA-625测试仪在检测电梯垂直振动源的应用.福建农机，2010（3）：55-58.

[2] 陈景琪，张兵，苏燕辰.基于MEMS的列车舒适度、平稳性无线传感器设计.仪表技术与传感器，2014（11）：4-6.

[3] ADXL362：微功耗三轴MEMS加速度计解决方案.世界电子元器件，2012（9）：12-14.

[4] 美国MAXIM公司.MAX803数据手册.

[5] 深圳宇泰科技公司无线通信模块UT-9011-SMD数据手册.