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行信號采集的電梯綜合檢測裝置。闡述了系統(tǒng)總計設(shè)計，實現(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)進行了擬合，基于MFC的方式實現(xiàn)了人機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)，電梯的運行速度以及平衡系數(shù)影響著電梯的運行安全。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，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)進行擬合處理，最終實現(xiàn)在一臺檢測儀器上同時完成對電梯速度、加速度以及平衡系數(shù)的檢測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
此系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示，電源模塊負責整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)，下位機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S3C6410。上位機負責數(shù)據(jù)處理和存儲，可以通過LCD觸摸屏來進行參數(shù)設(shè)置和檢測結(jié)果的讀取等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件主要分為以ARM為核心的上位機部分和以MCU為核心的下位機部分。上位機中采用三星的S3C6410作為處理器，主要包括人機交互、存儲和無線通信模塊。下位機部分主要以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 上位機部分硬件設(shè)計
2．1．1 系統(tǒng)顯示模塊
S3C6410是一款低功耗、高性價比、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，由于檢測的結(jié)果以及整個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串口與無線模塊進行連接，進而完成通信和數(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電源芯片進行電壓的轉(zhuǎn)換。
2．2 下位機部分硬件設(shè)計
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。
電梯運行主要是靠曳引機牽引的，因此，只要測得曳引機的轉(zhuǎn)速就能得到電梯的運行速度。測速的時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，這樣當齒輪轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器會感受到一個個脈沖，每轉(zhuǎn)過一個齒，就會產(chǎn)生一個脈沖，這樣根據(jù)脈沖數(shù)即可得到轉(zhuǎn)過的齒數(shù)，進而求得齒輪轉(zhuǎn)速。

根據(jù)霍爾傳感器的工作原理，設(shè)計一個預(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)生的信號處理為標準的方波信號并將其輸送給PIC16F616。
設(shè)t時間內(nèi)記得的脈沖數(shù)是m，也就是說在t時間內(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，即可求出電梯的運行速度
V=ωR
由上位機設(shè)定脈沖數(shù)n的值，當轉(zhuǎn)過第一個n時，記下時間t1，繼續(xù)轉(zhuǎn)到第二個n時，記下時間t2，t2是從第一個n結(jié)束時開始計時的，這樣求得這兩段的平均角速度ω1和ω2，進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，其實質(zhì)是設(shè)計對重的質(zhì)量大小，理想運行狀態(tài)是對重的質(zhì)量正好等于轎廂自重加上轎內(nèi)負載的質(zhì)量。本系統(tǒng)中，電梯平衡系數(shù)是通過電流法進行測量，因此要測量不同負載時的電流。
電梯是一個很復(fù)雜的整體系統(tǒng)，在其正常運行時不能將其主線路切斷來測量運行時的電流，這樣也不切實際，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行濾波放大后，進行AD轉(zhuǎn)換后傳送給下位機PIC16F616。