基于STM32的电梯运行性能分析仪的设计与实现

2018-03-29樊卫华张永举顾旭波

电子设计工程 2018年2期

陈飞，樊卫华，张永举，顾旭波

（1.南京理工大学自动化学院，江苏南京210094；2.江苏省特种设备安全监督检验研究院吴江分院江苏苏州 215200）

根据质检总局官网数据，截止2015年底全国共有电梯425.96万台，其中使用10年以上的“老旧电梯”比例超过10%[1-5]。前不久，国家质检总局对部分老旧电梯集中的省市开展了“在用老旧电梯安全状况分析与监测”，在抽查的2 523台老旧电梯中，有7%的电梯存在较大隐患。另外，在抽查的15年以上梯龄的老旧电梯中，合格率仅为1成。由于电梯老龄化、频繁运行、维保不到位，使用安全意识淡薄等原因，电梯困人事故时有发生，引起了社会广泛关注[6-8]。

通过电梯运行性能分析提高电梯安全保障水平是比较可行的办法。根据GB/T 24474-2009《电梯乘运质量测量》和GB/T 20900-2007《电梯、自动扶梯和自动人行道风险评价和降低的方法》，振动加速度是电梯运行性能的重要指标。将电梯运行过程中轿厢实际加速度用于反馈补偿控制[9-10]，能有效减低曳引机旋转失衡及起制动过程产生的刚性惯性力引起的电梯振动[11]，提高电梯运行品质和舒适性。目前，国际上大多采用美国研制的EVA625开展电梯运行性能分析。EVA625以8位单片机为核心，内置4通道700 s存储空间，并且采用的是数据离线分析模式，但成本较高而且无法满足高效率、高精度测试分析的需要。国内杭州市特种设备检测院研制了一种基于TMS320C6000系列DSP为核心的电梯运行质量分析仪，但该产品的市场占有率还比较低，而且装置体积较大，便携性不高[12-15]。

文中采用基于STM32的嵌入式技术研制成本低、便携性高的电梯运行性能分析仪，实现电梯运行性能的可视化测试和故障预测预警。

1 电梯运行性能测试方法和要求

根据GB/T 24474-2009《电梯乘运质量测量》中的描述，电梯运行性能分析需要对电梯z轴的加速度、三轴的振动加速度以及电梯运行速度进行处理分析。

采用三轴加速度传感器实时测量电梯或者自动扶梯的运行加速度、振动加速度，并通过对运行加速度进行数值积分来计算电梯的运行速度。电梯运行性能测试如图1所示，测试时，三轴加速度传感器放置在电梯轿厢地板的中央，Z轴垂直于地板，X轴正对轿门。完成一次电梯运行性能分析，Z轴加速度传感器采集电梯启动加速、途中匀速、制停减速整个过程的加速度信号，X轴和Y轴加速度传感器采集电梯侧向晃动的加速度。

图1 电梯运行性能测试示意

三轴加速度传感器测的加速度原始信号，需要进行滤波处理后才能用于计算速度、位移和分析。根据GB/T 24474-2009《电梯乘运质量测量》[16]中的相关规定，振动和加速度数据分别需要进行ISO8041标准滤波和10 Hz的低通滤波（2阶巴特沃斯滤波器）处理。其中二阶巴特沃斯低通滤波器如下表示：

其中，ωc为截止频率，ωp为通频带边缘频率，为|H(ω)|2在通频带边缘的数值。

经过滤波处理后，采用复化辛普森数值积分方法计算速度、位移，公式如下：

其中，h=(te-ts)/(2M)，2M为数值积分区间的等分数，te为结束时间，ts为开始时间，Es(f+h)为截断误差，当采样频率很高时，可以忽略。当f(x)为加速度时，数值积分结果S(f,h)为速度，当f(x)为速度时，S(f,h)为位移。

根据GB/T 24474-2009《电梯乘运质量测量》、GB/T10058-2009《电梯技术条件》，电梯运行性能分析仪应实现标准和技术规范中设计的振动加速度，速度和位移相关测试分析功能，总体性能要求如表1所示。

表1 电梯运行性能分析仪性能要求

2 电梯运行性能分析仪总体方案

为了实现电梯运行性能信号的高速高精度采集、分析、处理和显示，以及实现故障的预测预警功能，电梯系统整体框架分为两部分，如图2所示。其中，上位机主要对采集到的电梯加速度数据进行深度分析，为离线进行，并将历次测量结果存入数据库，不仅可以通过对单次测量数据处理，分析电梯当前的运行性能状况，并生成性能报告，而且可以通过分析历次的测量结果，判断其性能变化趋势，实现对故障的预测预警；下位机以32位单片机为核心，通过与三轴加速度传感器进行通信，实现加速度数据的采集、存储以及数据的即时显示功能。

3 硬件设计

电梯运行性能分析仪的硬件电路以嵌入式处理器为核心进行设计，具有电梯运行数据采集、存储和数据即时显示的功能。考虑到可调试性，下位机硬件电路的整体设计框图如图3所示，微控制器通过SPI总线与三轴加速度传感器相连，保证了较高的传输速率，并且提供了RS232接口，用于调试。此外，为了能够实现一定的数据量存储，提高测量时间，硬件电路中还添加了外部存储器。

图2 系统整体框图

基于成本、功耗、性能3个方面的考虑，微处理器采用的是基于Cortex-M4内核的STM32F407芯片，主频高达168 MHz，且增加了浮点、DSP、并行计算的功能，性能十分出众。三轴加速度传感器采用的是ADI公司的MEMS加速度传感器ADXL362，ADXL362既能测量动态加速度也能测量静态加速度，提供12位输出分辨率，而且具有超低功耗。传感器测量范围为±2 g、±4 g及±8 g，其中±2 g范围内的分辨率为1 mg/LSB，采样频率最高可达400 Hz，符合电梯运行性能分析仪的需求。此外，选用速度较快的SRAM作为外部存储器临时存储数据，型号为ISSI公司的IS62WV5126BLL，容量为1 MB。

图3 硬件系统框图

4 软件设计

软件设计主要包括上位机软件和下位机软件。下位机主要进行数据的采集存储以及测量数据的即时显示，上位机主要负责将下位机采集到的数据进行深度分析。

下位机开发时采用C语言编程，因为C语言简洁且易于调试和维护。整个下位机采用模块化的设计方式，使主程序简单明了，同时方便系统的维护和升级。其中测量三轴加速度数据流程图如图4所示，用户点击开始按键后，系统便会以400 Hz的采样频率开始采集三轴加速度数据，并将数据暂存在外部SRAM中，同时在液晶显示屏上显示即时采集的数据。用户点击结束按键后，系统便会停止采集数据，把已采集到的数据从外部SRAM中转存到TF卡或USB设备中，便于上位机进行深度分析。

图4 下位机软件流程图

上位机电梯运行性能分析软件用C#开发，提供了友好的人机交互界面和快速数据处理的性能。软件主要包括存储数据模块、用户信息管理模块、电梯信息管理模块、信号分析模块、报告生成模块。其中存储数据模块，将下位机采集的数据文件分别存入到数据库中各个对应电梯的数据集里，便于后续的数据统计分析；用户信息管理模块，存储用户的一些基本信息，以及其属下电梯的整体情况；信号分析模块，根据当前下位机采集的数据文件分析电梯的加速度-时间关系、速度-时间关系、位置-时间关系、加加速度-时间关系。通过傅里叶变换，分析运动量信号的频谱特征，界面如图5所示；电梯信息管理模块，存储电梯的一些基本信息，以及对存入该电梯数据集中的所有结果进行统计分析，判断其性能的变化趋势，对故障进行预测预警；报告生成模块，将分析后的电梯各项指标的基本信息生成报告文档。

5 应用实验

在电梯检验和安全评估实际工作中，应用研制的电梯运行性能分析仪，验证其功能。按照图1所示的测试方法，测试额定速度为1.6m/s、额定载荷为1 350 kg的乘客电梯，电梯从9楼启动一直平稳运行到-1楼，总距离为32 m。测得的三轴加速度原始信号以及Z轴经过滤波后的信号如图6所示，图中，至上而下依次为X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度、经2阶巴特沃斯滤波器滤波后的Z轴加速度，由图可知，Z轴加速度信号反应了轿厢启动、加速、匀速、减速、停止的整个过程，X轴加速度和Y轴加速度反应了轿厢的侧向晃动。对滤波后的Z轴数据进行复化辛普森数值积分处理，得到如图7所示的运行性能分析结果，至上而下依次为速度和位移。从图6和图7中可知，电梯运行平稳时的速度以及总位移分别为1.569m/s和32.59 m。与标称值相比，误差在允许的范围之内，可见此电梯运行性能分析仪能够提供准确地三轴加速度数据。此外，该电梯运行加速度在-0.75～0.75 m/s2之间，根据GB/T 10058-2009《电梯技术条件》，乘客电梯启动和制动的加速度最大值不应大于1.5m/s2。测试结果表明加速度性能完全达到要求。