基于嵌入式系統的電梯導軌支架間距自動測量儀

（福建省特種設備檢驗研究院，福州 350008）

電梯導軌支架，作為電梯導向系統重要的組成部分之一，用作支撐和固定導軌，直接關系著電梯的安全性和舒適性。GB 7588—2003《電梯制造與安裝規范》對電梯“T”型導軌的許用擾度給出了嚴格的控制，導軌的變形除了自身的材質外，與導致支架的間距有著直接聯系。電梯檢規TSG T7001—2009《電梯監督檢驗和定期檢驗規則—曳引與強制驅動電梯》對支架間距有著明確的規定：每根導軌應當至少有2個導軌支架，一般其間距≯2.50 m（如果間距>2.50 m，應當有計算依據），安裝于井道上、下端部的非標準長度導軌的支架數量應當滿足設計要求[1-2]。支架間距的測量一直是電梯監督檢驗過程的重點，傳統的檢驗方法都是通過在轎頂檢修逐個手動測量，費時費力，且容易造成安全事故。國內電梯導軌支架間距專用自動測量儀多采用接近開關或者類似的開關作為檢測支架位置的方案[1-2]，接觸式傳感器在安裝上必然會受制于現場的設備環境，檢驗效率低下，通用性不強。因此，研制一種高效、方便、精準的支架間距測量儀就顯得特別有意義。

針對上述問題，本文提出了一種基于32位高性能微控制器STM32F405和多傳感器融合的導軌支架間距自動測量解決方案。

1 測量原理

電梯導軌支架間距自動測量的原理如圖1所示。當轎廂在位置1時，放置好磁力固定座6，調整好支架間距測量單元7，使紅外激光正好打在導軌支架3上，支架間距測量單元7上的微控制單元MCU（microcontroller unit）取得測量值 L1。 當轎廂向上運行直到紅外光束2脫離導軌支架3瞬時，此時MCU取得的測量值為L2，必然L2>L1，且數值上產生較大的突變，通過設計的自適應算法可獲得導軌支架的邊緣位置。與此同時，支架間距測量單元7上的加速度測量模塊實時計算轎廂垂直方向上的運行距離，通過MCU獲得的2個支架邊緣位置即可求得導軌支架的間距。

圖1 測量原理Fig.1 Measurement principle

2 系統硬件設計方案

測量儀的核心模塊支架間距測量單元系統，可分為距離和加速度采集計算、存儲、電源，以及供用戶參數輸入、校正、顯示的OLED模塊和用于輸出采集計算數據到上位機的藍牙模塊。其硬件原理如圖2所示。

圖2 系統硬件原理框圖Fig.2 Schematic diagram of system hardware

2.1 主控MCU

該系統主控 采用 公司的高性能微控MCUST制器STM32F405。該MCU內部構架為Cortex-M4，采用32位精簡指令集，工作頻率高達168 MHz；內部設有看門狗，有效地降低外部干擾因素造成的不良影響；內部嵌入多個標準數據接口，如SPI，UART，I2C，在降低功耗的同時也降低了外圍電路的復雜程度[3]。

2.2 紅外激光測距模塊

該系統采用TFmini Plus紅外激光測距作為導軌支架的定位模塊。該傳感器的測量原理是基于飛行時間TOF（time of flight），與主控MCU采用串口UART數據通信[4]。為提高測量的效率，系統要求電梯在正常運行模式下全程上行或者下行一次，即可獲得井道內除頂層及底層部分導軌支架外的全部數據。TFmini Plus測距最高輸出頻率1000 Hz，以額定速度3.5 m/s的電梯為例，TFmini Plus測量一次轎廂移動距離僅為3.5 mm。一般電梯導軌支架在井道垂直方向上的寬度約為50 mm，TFmini Plus輸出頻率足以滿足系統要求。電梯的導軌通常有4根，即轎廂運行的2根主軌和對重運行的2根副軌。故在此設計支持4個TFmini Plus，同時測距并采集數據。

2.3 加速度測距模塊

該系統的加速度傳感器的主要作用是，提供轎廂轎廂垂直方向上的加速度原始數據，進而通過二次積分計算出位移距離。系統采用ADI公司的基于MEMS結構的三軸加速度計ADXL355。ADXL355輸出量程支持±2g到±8g；具有低失調漂移、低噪聲密度特性；典型功耗低至200 μA，待機模式下更是低至20 μA，輸出動態響應頻率高達1000 Hz[5]。此外，數字輸出特性支持數字串行外設接口SPI，I2C，且內置20位模數轉換器，可大大降低系統的開發難度，其原理圖如圖3所示。

圖3 ADXL355加速度計電路原理Fig.3 Schematic of ADXL355 accelerometer circuit

2.4 電源模塊

該系統離線采用單節鋰電池供電，片上需要用到的電壓有3.3，5 V。其中，3.3 V用于主控MCU，ADXL355及其它IC，通過穩壓芯片XC6206P332獲得；5 V用于TFmini Plus測距單元，通過升壓芯片SX1308實現。

電源充電模塊采用具有恒定電流/電壓線性充電器TP4054，鋰電池保護電路主要有控制芯片DW01，MOS開關管F8205構成。

3 系統軟件設計方案

3.1 導軌支架位置的檢出

從紅外激光測距傳感器采集到數據是一串離散的數據流，其數據量的大小與傳感器的輸出頻率有關。很明顯，該數據流模型為時序模型，即數據流中的單個數據項只與時間有關系，而支架的邊緣位置體現在數據流上的突變點。數據流的突變點檢測依據數據類型的不同，有HWKS算法、動態遷移閾值的引入、引入滑動窗口模型等[6-9]。與這些數據流突變檢測不同，在此測距數據流部分數據呈現出一定的重復性。

由圖1可見，導軌支架距傳感器的深度位置幾乎一致，井道壁表面距傳感器的深度值也在較小的范圍內浮動，除極少數井道壁上不可預見的深度不一的凹凸區域外。顯而易見的是，整串數據流中數據項的較小值且占據數據流極少數的應該是導軌支架位置，數據項的較大值且占據數據流絕大多數的應該是井道壁。

因此，支架位置的檢出按照以下步驟實現：數據流從小到大進行排序，考慮到導軌支架間距不超過2.5 m，選取前2 h點（h為提升高度，m）求均值k；分別選取排列第20%，21%，22%，23%，…，80%的數據求均值L，考慮到傳感器的測量誤差以及支架位置與井道壁的距離突變量大，選取0.75（L-k）作為基準線，判斷數據的突變點求得導軌支架的邊緣位置。測距數據流波浪線如圖4所示，圖中的細線即為基準線。

圖4 測距數據流Fig.4 Ranging data flow

3.2 通信機制

由于該系統主要用于測量導軌支架的間距，任務單一，因此采用前后臺傳統模式的實時調度系統。即前臺為中斷處理程序，用于響應4個TFmini Plus測距數據幀的UART中斷，定時中斷響應ADXL355加速度數據，UART中斷發送數據幀經藍牙到上位機；后臺則為主循環，設定輪詢定時信息或事件發生標志，調用響應的事件處理函數[10]。主要程序流程如圖5所示。

圖5 主要程序流程Fig.5 Main procedure flow chart

測量儀與用于計算并顯示結果的上位機之間的通信機采用UART串口發送給藍牙，波特率為230.4 kb/s，用于傳輸測量儀采集計算出來的數據，如轎廂位移值、TFmini Plus測距值等。與上位機通信使用自定義通信協議，協議使用基本數據幀格式。系統所使用的數據幀格式如圖6所示。

圖6 數據幀格式Fig.6 Data frame format

每一幀數據的起始數據均以0x59為標志，上位機接收到的首字節如果不是0x59，則退出通信機制；CHAN為4個TFmini Plus測距模塊的通道，典型值1～4；傳輸數據則為2 B的TFmini Plus測距數值，2 B的算出來的轎廂位移值；Checksum為前6字節數據的累加和，取累加和的低8位；結束0XBB作為結束標記，與起始字節一樣，如果收到的第8個字節不符，則放棄之前收到的數據幀。

4 試驗結果

試驗用電梯的主要參數如下：額定速度1.75 m/s，提升高度28.2 m，11層/11站/11門，轎廂主軌2根，副軌2根。測試儀放置在轎頂橫梁，同時對4根軌道的導軌支架采集計算，其中一根主軌的測試結果如圖7所示。圖中虛線為基準線。

圖7 導軌支架間距測量結果Fig.7 Guide rail bracket spacing measurement results

圖中，距離值為TFmini Plus測距模塊采集到的距離數據；圓點為依據文中算法求得的支架邊緣點信息。按照電梯檢規要求，對測得導軌支架間距超過2.5 m的用實心點標記，手動點擊這些點則可見該支架與上一檔支架的間距值。由圖可見，其中一個標記為實心的超標點支架距離H＝2.56 m，現場驗證實測間距為2.55 m，精度符合要求。

5 結語

針對電梯導軌支架間距的傳統檢驗方法的不足，提出了一種基于多傳感器融合的嵌入式導軌支架間距自動測量系統。該系統由高性能主控器、高頻率輸出的測距和加速度傳感器組成，引入了導軌支架位置檢出的自適應算法，完成了正常運行模式下的電梯導軌支架間距的自動測量。試驗表明，該系統的測量精度符合檢驗規范要求；對于提升高度大的電梯，可以極大地提高其檢驗效率，具有廣泛的應用前景。