基于DSP的电梯无线检测系统的设计

王博

[摘要]文本主要对基于DSP的电梯无线检测系统进行研究，首先介绍了电梯检测的捷联惯性原理以及相应的坐标系建设，而后对电梯的硬件结构每个模块进行功能介绍，从而实现电梯无线检测系统。

[关键词]DSP；捷联惯性；数据检测；GPRS

一、概述

随着社会经济水平的不断提升，我国基础设施建设也在不断加强，各种办公大楼、酒店宾馆、高层高档住宅等建设原来越多，高楼林立的现象已经成为现代城市物质文明的重要标志。在这种现象下，电梯成了必不可少的垂直交通工具，在高楼大厦中起到非常重要的作用。然而，电梯的快速发展导致电梯事故也频繁发生，电梯交通的安全引起了人们非常大的关注，人们迫切希望电梯能够在运行过程中稳定、安全，能够成为人们追求物质文明生活的有效设备。基于DSP的电梯无线检测技术，能够将电梯子的在正常运行情况下的各种运行状态过程中的各种数据有效地检测并记录下来，当系统发生故障时，电梯检测系统就能够快速根据正常数据来分析并发现故障，同时将故障信号发送到电梯运行检测中心，通知相关人员进行维修。此外，基于DSP的电梯无线检测技术能够实现对电梯各种检测数据进行分析，从而有效发现电梯的潜在故障，及时通知工程师进行维护和修理，进而减少电梯故障发生率，保障电梯运行安全。

二、电梯检测的基本原理

电梯检测的基本原理是以捷联惯性基本原理来实现，首先根據电梯的运行规律构建相应的检测系统，而后以此检测系统通过捷联惯性原理来确定电梯运行的状态和空间轨迹，来检测电梯运行数据和状态数据。

管性捷联最早是在应用在导弹导航系统中，为导弹的运行提供最基本的参数测量依据，在实现最初，是将速度敏感元器件固定在导弹体上，通过对导弹加速度检测来实现对导弹的制导和导航。捷联惯性技术的应用，首先要构建惯性坐标空间，通过空间中的各个参数来判断当前导弹的姿态、运动速度以及当前的位置。该原理同样可以应用在电梯运动检测中，所以在电梯运行检测过程中需要构建坐标空间来实现对电梯运动轨迹和运动状态的检测。常见的捷联惯性系统坐标系包括以下几种：地心惯性坐标系是以地心为参照物相对地心静止的坐标系；地球坐标系，是以相对于地球自转角度转动的坐标系；地理坐标系是常见的三维空间的东、北和垂直方向的三维坐标系；导航坐标系是指导航系统中以选取的导航基础作为参照物的坐标系，如果与地理坐标系相重合，则可以实现指北方位系统；机体坐标系则是以机体重心为坐标原点的坐标系，常以机体纵向为前向坐标轴、横向为右向坐标轴，沿飞行器垂直向上的为上向坐标轴。

利用捷联惯性原理来实现电梯检测系统，可以采用地理坐标系作为电梯检测系统的轨迹分析依据，通过加速度检测仪来检测电梯运行过程中轿厢在垂直方向和水平共三个方面上的加速度，通过陀螺仪检测器来检测电梯运行过程中轿厢在垂直方向和水平共三个方向上的角速度，在使用角速度信号对线加速度进行数据修正，而后通过二次积分运算即可获取电梯运行的曲线，从而得到电梯运行的轨迹数据。通过对电梯的参数判断以及对电梯运行轨迹的姿态角分析，以此来判断电梯的运行状态，从而得到电梯运行的状态数据。在电梯运行过程中，通过捷联惯性构建的电梯检测系统系统来实时获取电梯运行过程中的轨迹数据和运行状态数据，在正常状态下，电梯监测系统会获取正常数据，如果有异常数据发生，电梯监测系统可判断电梯发生故障，而后通过无线网络将该数据发送到电梯控制中心，从而为电梯运行和监测的故障报警提供有效地监测数据。

三、基于DSP的电梯无线检测系统

DSP是Digital Signal Processor的简称，为数字信号处理器。常见的DSP芯片是采用哈佛结构实现的微处理器，结合内部硬件乘法器和并行处理结构，来实现对数字信号的快速处理。DSP芯片属于可编程器件，允许外部编程人员对其进行逻辑编程，以流水线技术为基础来对每个程序代码进行取指、译码、取操作数、执行四个基本步骤，通过各个指令的重叠来完成相应的逻辑功能。

基于DSP来实现电梯无线检测系统，主要是采用数据传输的方式，将使用捷联惯性原理实现的电梯检测系统中的三维方向的线加速度信号以及陀螺仪的角速度信号采集到DSP存储设备中，通过软件编程构建捷联惯性模型，在DSP内部进行高速数据处理，从而计算出电梯的运行轨迹和状态数据。如果电梯发生故障，DSP通过分析电梯轨迹数据和状态数据来生成报警信号，通过GPRS将故障信号发送到电梯管理控制中心进行分析和故障处理，同时将其传送到数据保存区域，供电梯管理中心对其进行综合分析。基于DSP电梯无线检测系统包含了五大部分，分别为数据检测和采集系统、数据处理系统、数据传输系统、故障分析处理系统以及数据保存系统。

其中，数据检测和数据采集系统是针对电梯运行的数据采集和转化，数据检测主要包括了电梯在地理惯性坐标系x，y，z三维方向上的线加速度检测以三个方向的角速度检测，在设备选择方面，可选用性价比较高的3703G2FD3G震动加速度传器作为数据测量仪。数据采集模块主要是功能是完成对电梯数据检测设备数据的采集，在电梯无线检测系统中选用MAxl316芯片作为数据采集模块，该模块能够在PWM信号驱动下提供了8个通道的150K的数据采样频率，从而满足电梯运行轨迹模型中的DSP高速计算的需求。一般的，MAXl316芯片会有6个通道去读取采集线加速度信号和陀螺仪的角速度信号，另外两个通道作为参考信号来辅助电梯运行数据分析。同时，在数据采集模块中会调用A/D的数模转换功能，因为数据检测仪监测数据模拟电信号数据，DSP无法直接读取和处理，数据采集模块将数据检测的加速度传感器的三维方向的加速度以及陀螺仪三维方向的角速度由模拟电信号转变成数字信号，而后传输到DSP芯片中进行数据处理。

数据处理系统主要是以DSP芯片为核心的算法处理其，通过相关的算法，来实现对电梯运行过程中，检测和采集数据的快速计算，从而根据地理惯性坐标系计算出电梯运行轨迹和运行状态，从而根据相应的运行轨迹数据参数和状态参数来判断电梯运行是否处在正常状态。此外，DSP芯片还需要完成其他模块的控制功能，主要包括数据采集模块的PWM驱动信号生成和输出，GPRS信号和USB信号的数据传输，轨迹数据的数据存储功能，电梯运行参数判断等功能，从而实现电梯无线检测系统的总体功能。endprint

数据传输系统包含了USB数据传输和GPRS数据传输。其中，USB数据传输是实现DSP与计算机的数据连接，电梯无线检测系统属于电梯管理控制中心的一个子系统，需要有專门的接口来上传当前检测电梯的状态信号，同时能够通过统一的系统向各个系统发送指令和数据。由于电梯无线检测系统对于正常信号数据是实时检测，所以数据量大，数据交换频繁，而USB数据传输接口在数据传输过程中速度快、可靠性高，所以对于电梯正常运行状态数据采用USB端口进行数据传输。GPRS是通用无线分组业务，是传统的2.5代移动通信业务，主要实现移动网络终端的上网、多媒体短信、网页浏览以及企业接人的基本业务，从而实现无线数据通信。在电梯无线检测系统中可采用MC521芯片来完成电梯故障信号的无线传输。

故障分析处理系统属于在PC端的电梯管理控制检测系统，处在电梯无线检测系统的后端，在电梯无线检测系统发送出电梯故障信号后，电梯可以根据信号不同来实现对电梯故障的分析与处理。当DSP根据电梯运行参数和状态参数判断出电梯故障后，调用GPRS发送故障信号，故障分析处理系统会自动对当前故障进行分级，如果当前故障信号属于临时异常信号，那么故障分析处理系统会将其上报电梯检测中心，来辅助检测中心预检测电梯运行异常，同时会将该异常分配给相应的工程师进行现场处理。如果该故障信号属于设备自恢复异常，可通过启动相关设备来完成异常恢复，那么通过监测中心调动相应设备发送重启信号，从而实现异常恢复。如果该异常需要人工进行维护修理，那么监测中心会通知相应的维护部门，从而派遣工程师到实际现场进行维修，从而有效保障电梯能够快速得到维修，从而有效安全的运行。

数据保存系统提供了EEPROM和外部扩展存储模块RAM，从而对电梯运行中的数据进行存储。在DSP在对电梯运行轨迹进行分析和处理后，将其存储到EEPROM中，一个EEP-ROM提供了256*4K的存储空间，随着地址增加当数据空间存储完之后，DSP会重新从头地址开始，将自早起数据给覆盖掉。外部扩展存储RAM是只能对DSP而言，不同星号的DSP芯片内部都会有一定的RAM或FLASH存储空间，但是存储地址有限，一般会通过扩展外部RAM来提升嵌入式系统的存储空间，从而满足电梯无线检测系统的需求，从而使检测系统的数据存储和交换能够实现更加复杂的算法基本需求。

四、总结

基于DSP的电梯无线检测系统的设计，是以捷联惯性原理为基本实现原理，以地理惯性坐标系为基本，通过在电梯的x，y，z三维方向上安装线加速度测量器和陀螺仪的角速度测量器来实现地电梯三维坐标速度的测量，通过数据采集器对数据进行采集，传送到DSP中进行线加速度的二次积分以及采用角速度对其进行修正，并对相应的参数进行判断，从而得到电梯运行的轨迹和状态，最后通过USB接口将其传输到电梯综合管理中心，通过GPRS将电梯异常信号发送到异常分析和处理中心，并将其进行有效处理，从而保障电梯安全有效的运行。endprint