（电力电子与电力传动专业论文）无接口状态下电梯远程监控系统的研究.pdf

a b s t r a c t a s 锄e l e c t r o m e c h a n i c a le q u i p m e n t ，e l e v a t o rp l a y s a ni m p o r t a n tr o l e i n t r a n s p o r t a t i o no fs k y s c r a p e r s m o n i t o r i n gr u n n i n gs t a t u s a n df a u l ti n f o r m a t l o no f e l e v a t o ri ss i g n i f i c a n tt oi t sm a n a g e m e n t ，m a i n t e n a n c ea n d s a f eo p e r a t i o n n o w a d a y s m o s to ft h ee l e v a t o rm o n i t o r sa r es e p a r a t e l yd e v e l o p e db ye l e v a t o r c o m p a n i e sa c c o r d i n g t ot h e i ro w np r o d u c t so fe l e v a t o rc o n t r o l l e r s u s u a l l y , t h e m o n i t o r 行o mad i f f e r e n tc o m p a n yi s u n a b l et oo b t a i nt h ei n t e r f a c es i g n a lf r o mt h e e l e v a t o rc o n t r o u e rd i r e c t l y o nt h eb a s i so fl a t e s td e v e l o p m e n to ft h er e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mo fe l e v a t o ra n d t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nd o m e s t i ca n di n t e r n a t l o n a l i e s e a i c ha n dd e v e l o p m e n tt r e n di nt h i sf i e l d ，ar e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o re l e v a t o r w i t h o u td i r e c ti n t e r f a c es i g n a l si sd e v e l o p e db yn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dd a t a b a s et e c h n o l o g yc o n s i d e r i n g i n c o m p a t i b l ew i t he a c ho t h e ra n da r e t h a tn o w a d a y st h ee l e v a t o rm o n i t o r sa r e n o ta b l et oc o m m u n i c a t ew i t hm o n i t o r i n g s y s t e m so fo t h e re l e v a t o rc o m p a n i e s t h es y s t e mp r o v i d e sac o n v e n i e n t a n dv l v l d s o l u t i o nf o r 矗；f o b l e mo ff a u i td e t e c t 。i n g ，a n a l y z i n ga n dr e m o v i n g t h i ss y s t e mi sc o m p o s e do ff r o n tt e r m i n a la n dm o n i t o r i n gs o f t w a r eo fs u p e n ，l s o 搿 c o m p u t e r f r o n tt e r m i n a lt a k e sc h a r g eo fs a m p l i n gt h es i g n a l so f e l e v a t o rs t a t u s ，f a u l t a n df i e l da p p a r a t u s i fa n yf a u l ta p p e a r s ，f r o n tt e r m i n a l w i l li n f o r m st h es e r v e r i m m e d i a t e l v t h eu n i v e r s a lp r o p e r t ya n dc o m p a t i b i l i t yh a sb e e nc a r e f u l l yc o n s l d e r e d i nt h eh a r d w a r ed e s i g no ff r o n tt e r m i n a l t h es y s t e mc o l l e c t st h es i g n a l sr e l a t i n gt o e l e v a t o rd i r e c t l ya n dd o e sn o tn e e dt oc o m m u n i c a t ew i t ht h ee l e v a t o rc o n t r o l l e r , h e n c e o v e r c o m et h ed i f f i c u l t i e st h a tt h ec o m p a n i e sh a v et h e i ro w nc o d es t a n d a r d sa n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s f r o n tt e r m i n a la n ds e r v e rc o m m u n i c a t et h r o u g hw l r e l e s s n e t v v o r k , r e a l i z i n gt h er e a lt i m ed a t at r a n s m i s s i o no f t h ee l e v a t o r m o n i t o r i n gs o t m a r e o nt h es e r v e ri sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c t h ed a t aa c c e s sm o d u l er e c e i v e sa n d p r o c e s s e sd a ：t as e n tb yf r o n tt e r m i n a l ，t h em o n i t o r i n gi n t e r f a c ei nt h es o f t w a r ed i s p l a y s t h er e a lt i m er u n n i n gs t a t u so fe l e v a t o rw i t hd y n a m i cp i c t u r e sa n dr u n n i n gp a r a m e t e r s t h ei n f o m a t i o no ft h el a t e s tt e ng r o u p so fr u n n i n gs t a t u sb e f o r et h ef a u l ta r i s e sc a n b e o b t a i n e d 舶mf a u l td a t a b a s eb yt h ei n t e r f a c e f o rf a u l tj u d g i n ga n di n f o r m a t i o n d i s p l a y i n g t h u si ti se a s i e rt oa n a l y z e t h ec a u s eo ft h ef a u l ta n dr e m o v et h ef a u l t - 2 k e yw o r d s ：e l e v a t o r ；r e m o t em o n i t o r i n g ；i n t e r f a c es i g n a l ；f r o n tt e r m i n a l ；m o n i t o r i n g 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特i i i i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天鲞大堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：受宇 签字日期： 2 。口辟6 月d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：喜峙 签字日期：2 砧年月1 0 日 导师签 签字日期：z 哩降石月i 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电梯远程监控系统的国内外研究现状 电梯远程监控系统( r e m o t ee l e v a t o rm o n i t o r i n gs y s t e mr e m s ) 是指某个区域 的大楼中安装电梯后，对其进行远程监控，数据管理、维护、统计、分析及故障 报警的装置，其目的是对使用中电梯进行远程数据维护、故障报警，以及对电梯 的运行性能( 群控效果、使用频率、故障次数及故障类型) 进行统计与分析，并在 分析的基础之上辅助专业人选择合理的派梯方案。 概括起来，电梯远程监控系统一般可实现以下功能：1 ) 电梯的档案管理；2 ) 故障的早期预报；3 ) 故障的分析判断与处理；4 ) 电梯的远程操作；5 ) 电梯的远程 调试；6 ) 电梯状态的监视；7 ) 故障的记录与统计；8 ) 远程视频监视；9 ) 远程语音 对讲；l o ) 电梯的运行频率、停靠层站，呼梯的统计管理等【1 1 。 通过电梯的远程监控，可变被动的故障维修为主动的维护保养。当电梯出现 故障时，一方面及时通知维修人员并进行分析判断，协助维修人员尽快排除故 障，减少停机时间；另一方面则采取应急操作，及时安抚被困乘客，从而提高服 务水平和质量，提高产品和服务的竞争力1 2 。 在一个成熟的电梯控制系统中，远程监控部分应该与信号控制系统和拖动控 制系统构成一个有机的整体以便对系统的运行状况进行综合评估p 】【4 1 。 图i 1 电梯远程监控系统结构框图 随着高层建筑的增多和建筑设计档次的提高，人们对电梯的安全可靠性及多 功能性提出了越来越高的要求。电梯远程监控系统已经成为了电梯行业研究的热 点问题之一，是电梯行业继p l c 控制系统与v w f 调速系统之后的有一大技术 进步，得到了国内外相关专家和人士的重视吲 6 1 。 第一章绪论 目前，电梯远程监控系统开发的功能比较全，但不论在理论上还是在实际应 用中还存在很多问题，有待于进一步研究探索。今后电梯远程监控系统的研究方 向将主要从以下几方面进行。 ( 1 ) 可靠性设计：一个电梯远程监控系统的性能取决于其设计环节，系统维 护只能保证其正常运行和少量的修改，在运行过程中对系统功能的完善和改进是 有限的。因此系统的可靠性设计、模块化结构，软件的可扩充性和易维护性，是 系统能否成功可靠运行的关键因素。 ( 2 ) 兼容性问题：目前的电梯远程监控系统都是各个制造厂家研发的，各自 为政，兼容性差，因此统一电梯远程监控系统的标准，特别是数据接口标准，才 能方便有效地获取各种类型的电梯运行数据，而不影响电梯的正常运行。g p r s 技术是一种全球开放的、短距离无线通讯规范，它可以通过短距离无线通讯，把 远程监控系统的前端数据采集器与现场计算机连接起来，无需纵横交错的电缆 线，可实现无线组网。这种技术将减少系统的安装周期和费用，提高了电梯的可 靠性和控制精度，更好地解决了电气设备的兼容性问题。 ( 3 ) 报警方式：电梯远程监控系统采用何种方式实现故障有效及时的预警及 报警还需进一步探讨，现有的电梯远程监控系统的故障报警多数为声光报警，即 当有故障发生时监控计算机的屏幕上会弹出报警信息并通过发声装置发出报警 声音。另外就是通过b p 机通知给维护人员。在现在计算机技术和无线终端高速 发展的今天，短信息已经成为相当普遍地交流方式，通过i n t e m e t 发送短信息的 软件也已经相当普遍。因此，将短消息运用到故障报警系统中将会更快捷、准确 地把故障信息传达给维护人员。 ( 4 ) 智能故障检测：远程监控系统中的故障检测与诊断技术是- - f - 综合性技 术，涉及现代控制理论、信号处理、模式识别、人工智能、小波变换、数理统计、 神经网络、模糊逻辑等多学科理论。像电梯及电梯群这种内部结构复杂、规模较 大相互协调较困难的应用系统发生故障时，会在短时间内产生大量多类型的故障 信息，尤其是多台电梯群控故障检测和诊断时，系统结构复杂，难以建立其精确 数学模型，而各环节变量问的耦合关系错综复杂，某一变量出现故障会导致与之 有关联的众多可测变量出现异常。若要利用基于数学模型的诊断技术在全系统内 集中所有故障信息来进行快速准确地判断与处理是极其困难的，甚至不可能完 成。针对这种情况可采用智能故障诊断技术，但是用专家系统进行诊断时，维护 知识库的工作量相当大；若单纯用一种神经网络诊断方法对全系统进行故障诊 断，要采用足够多的训练样本对神经网络进行训练，也是十分困难的，势必会增 大误报率和漏报率，诊断时间也会较长，因此对系统的深人改进可放在采用神经 网络与其他理论方法相结合的综合智能故障诊断技术上【7 】。 2 第一章绪论 ( 5 ) 控制算法和优化调度：从电梯运行的控制智能化角度讲，要求电梯有优 质的服务质量。控制程序中应采用先进的调度规则，使群控管理有最佳的派梯模 式。现在的群控算法中已不是单一地依赖“乘客等候时间最短 为目标，而是采 用模糊理论、神经网络、遗传算法、专家系统的方法，将要综合考虑的因素( 即 专家知识) 吸收到群控系统中去。在这些因素中既有影响乘客心理的因素，也有 对即将要发生的情况作评价决策，是专家系统和电梯当前运行状态组合在一起的 多目标控制。运用现代化的电梯的语音通告和信息显示技术可最大限度地发挥轿 厢的承载能力。利用遗传算法对客流交通模式及派梯规则进行优化、自学习，实 现电梯调度规则的进化，以适应环境的变化。未来的电梯远程监控系统应有自学 习的能力，利用现代电梯的先进知识和电梯专家的个人知识，建立知识库，实现 人工智能化，提高电梯的利用率，减少故障率【8 】。 1 2 课题的提出和研究意义 目前具备一定规模的电梯公司如日本的三菱、日立、东芝、富士达，美国的 奥的斯，瑞士的迅达，芬兰的通力，德国的蒂森等均具有结合自己产品的电梯远 程监控技术，按照各自的接口和通讯方式对电梯运行状态进行监控，大致的做法 是在控制柜中添加一块数据采集及通讯卡( 即前端机) ，它通过专门的接口接收 电梯控制器发出的运行故障信号。在这种情况下，由于不同公司的电梯控制器的 信息代码标准不同，硬件接口也不统一，造成不同公司的电梯产品互不兼容，通 用性较差。 因为各个厂家的电梯控制系统的接口问题，数据采集终端有时需要在厂家不 直接提供接口信号状态下，或不易设置信号接口时，能够正常的实现信号的采集， 远传及电梯的远程控制。 在这一背景下，本文研究的信号采集系统与电梯直接联接，通过设计专门的 采集器采集电梯运行中的各种信号。电梯监控数据采集器采集到电梯控制柜和轿 厢内的电梯运行数据等，通过远程数据发送系统传送数据到远程监控上位机。 外围设备传送的信号一般不能被主控芯片直接接收，因此需要设计大量的外 围接口电路来实现监控系统与外围设备之间的信号传送。 1 3 论文的主要内容 本文所研究的电梯远程监控系统分成三大模块：数据采集模块、数据传输模 第一章绪论 块和远程监控中心。其设计的总体方案如图1 2 所示： 图1 2 无接口状态下电梯远程监控系统结构框图 信号采集系统与电梯直接联接，通过采集器( 即前端机) 采集电梯运行中的 各种信号。前端机采集到电梯控制柜和轿厢内的电梯运行数据和音频视频信号 等，通过远程数据发送系统传送数据到远程监控中心。信号传送系统负责把前端 机采集到的信号传送到监控中心的上位机进行处理，其主要方式有局域网，电话 拨号、互联网、无线网等。远程监控中心对信号进行分析处理，从而达到对电梯 的远程监控，主要由远程数据接入系统和计算机管理系统等组成。 本文要完成的任务有： 1 前端机的设计 前端机负责电梯运行和状态信号的采集，当电梯发生故障时，前端机接收故 障的状态信号并把故障时采集到的信号传给服务中心计算机；电梯正常运行时， 前端机采集的信号每隔一段时间会主动上传，报告电梯的运行状况，但远程监控 中心不会主动拨号接通前端机。连接建立后，前端机会接到上位机的回应信号， 并将电梯的运行状态实时的发送给主机，直到主机挂断。 前端机的设计主要包括：( 1 ) 在无法直接得到控制柜提供的信号的前提下，设 计信号采集器及其与前端机的外围接口电路。( 2 ) 使用汇编语言编写下位机程序， 前端机通过采样子程序定时采集电梯状态信号。 2 前端机与远程监控中心的通讯 要研究的主要内容包括：( 1 ) 在前端集中设计通讯子程序。( 2 ) 在上位机中设 计远程数据接入模块接收数据并与前端机通信。 3 上位机的设计 利用v i s u a lb a s i c 环境实现电梯实时运行状态的监控和前端机工作状态实时 监控。用a c c e s s 建立电梯故障信息和运行状态信息库，以活动数据对象 a d o ( a c t i v ed a t ao b j e c t s ) 方式实现人机界面对数据库的访问。监控系统保留电梯 发生故障前十组状态到监控软件的数据库，通过查询故障记录，对故障原因进行 分析，可协助电梯管理人员排除故障。 4 一翟分 黼 醴嘲 胃 第二章前端机设计 第二章前端机设计 前端机完成电梯系统运行和状态数据的采集，与上位机通讯等工作，它是电 梯与通讯网络和上位机之间的桥梁，是监控系统功能得以实现的关键。其设计主 要包括：在无接口状态下，选取合适的传感器并设计其接口电路用来直接从电梯 运行的现场获取状态信号；设计各模块的程序和前端机硬件电路。 2 1 主控芯片的选取 应用于监控系统的主控芯片有单片机和d s p 可以选择。单片机是将c p u ， 存储器，定时器计数器，i o 接口和总线等制作在一块芯片上的超大规模集成电 路，具有抗干扰能力强，软件丰富，价格低等优点，可以方便地嵌入到产品内部， 因此在设计监控系统时被广泛采用。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 即数字信号处理器，它采用多总线技术实现 并行运行机制，与单片机相比具有强大快速的运算能力。 由于d s p 价格较高，而且电梯慢车运行时速度不高( 一般为0 6 3 m s ) ，相应 数据采集器的采集速度也较低，这就造成其高速性常会受到外围设备的限制而无 法充分发挥，加上大部分数据处理任务是由上位机而非前端机完成的，因此在大 多数监控系统中，单片机的处理速度完全可以胜任，本文采用单片机设计监控系 统【引b o 。 前端机的设计应达到的基本要求是：上位机在查询前端机时，前端机必须能 够在与上位机通讯的同时，采集电梯的实时运行和状态信号并上传。因为前端机 与通讯模块和信号采集模块都是通过串口进行通讯，普通的单串口单片机很难满 足上述要求，因为对于单串口单片机来说，为扩展一个串行口，传统的办法是使 用8 2 5l 。然而增加一片8 2 5l ，不仅增加了一个2 4 d i p 芯片的面积和重量，还增 加了数十根走线，还需要重新设计并提供一个译码选通信号，一个周期介于 0 4 2 b s 到1 3 5 岬之间的工作时钟信号，还要有一个发送时钟和一个接收时钟。这 些都增加了硬件的复杂程度，硬件设计越复杂，其可靠性就越可能下降，同时还 会增加电路的体积和功耗。所以本论文采用带双串行口的w i n b o n d 公司的 w 7 7 e 5 8 单片机作为前端机的主控芯片，使两个不同的串行通讯能同时进行【1 1 1 。 w 7 7 e 5 8 芯片的指令系统和封装与8 0 c 5 2 单片机完全兼容，可多次编程，其 第二章前端机设计 内部集成有3 2 k 的f l a s hr o m ，2 5 6 字节的片内r a m ，无需进行外部扩展，此 外片内还设有可编程看门狗定时器，3 个1 6 位定时器和两个全双工串口等。通 过s r f ( 特殊功能寄存器) 的设置，完成一个单指令仅需要4 个时钟周期，而标准 m c s 5 l 系列则需要1 2 个时钟周期；w 7 7 e 5 8 的工作时钟频率最大可达4 0 m h z ， 因此加快了指令运行速度。由于它采用了全新设计的微处理器内核，去除了多余 的时钟周期和存储周期，因此在相同的时钟频率下，其速度比传统的8 0 5 1 系列 快1 5 到3 倍1 1 2 1 。 2 2 电梯位置和速度信号的获取 本设计所基于的思路是：利用旋转编码器，通过p g 卡输出与电机转速及位 移成比例的脉冲数。通过累计的脉冲数判断电梯的速度，位置，根据电梯的位置 还可以进一步判定平层，换速，上下限位等状态信号 1 3 1 。此外，由脉冲计数芯 片计数值的增减，还可以判断电梯的上下行状态。 旋转编码器是用来测量转速的装置，主要由一个中心有轴的光电码盘构成， 其上有环形通、暗的刻线，当编码器轴带动光栅编码盘旋转时，经发光元件发出 的光被光栅编码盘和狭缝切割成断续光线并被接收元件接收，产生初始信号，该 信号经后继电路处理后，输出脉冲或代码信息。旋转编码器分为单路输出和双路 输出两种。双路输出的旋转编码器输出两组相位差9 0 度的脉冲，通过这两组脉 冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。 以目前电梯系统广泛使用的永磁同步电机为例，因为电梯位移： h = s 木i( 1 1 ) 其中i 为累计脉冲数，s 为脉冲当量。预先计算出脉冲当量，也就确定了电 梯位置，其计算公式是： s = 九宰7 c 木d p ( 1 2 ) 本文以目前广泛使用的永磁同步电机曳引电梯系统为例，由于此种电机无需 齿轮变速装置，其减速比：持1 ，曳引轮直径：d = 6 5 0 m m ，旋转编码器每转对应 的脉冲数：p = 2 0 4 8 ， 代入公式( 1 - 2 ) 得s = l m m 脉冲 将旋转编码器安装在曳引机输出轴的轴端上，使其随着曳引电机的转动而旋 转，输出a 和b 两相脉冲。编码器采用o m r o n 公司的e 6 h 增量型可逆旋转编 码器，其特点是集电极开路型输出方式，脉冲准确、精度高，在低速时不会丢失 6 第二章前端机设计 脉冲，并且采用互补型输出，使导线能长距离延长( 最长可达1 0 0 m ) 。具体的实 现方法如图2 1 所示。 2 2 1 p g 卡功能介绍 图2 1 编码器脉冲信号采集电路结构框图 p g 卡是电梯专用产品，广泛运用于电梯速度控制领域。在图2 1 中，p g 卡 的作用是对a ，b 两路旋转编码器输出的信号进行处理。本设计选用m d 3 2 p g d 带分频功能的p g 卡，如图2 2 所示。其中，p g a 和p g b 为编码器信号输入端 子。 c 洲 p g 卡掣 1 州 融+ 例 ”5 ；锰 t li l1u 。 v c c 、， 丰冶 粥a r ， 一 上 13 了 甲乏 l。广 8芦g 鲁 本 ，。 ，t门 _ - k l i 毒 屏蔽线 开路集电极输班码盘。 图2 - 2 开路集电极输出编码器与p g 卡连接示意图 2 2 2 防抖电路的设计 由于在电梯停止工作时，若无锁定或锁定不严，则旋转轴易受外力( 如风力 影响) 而自由晃动，因而引起编码器输出波形抖动，如图2 - 3 所示，从而引起误 计数。在这种情况下，就不能对波形进行正确计数】。虽然可以通过软件设置 7 第二章前端机设计 标志状态，用记录j 力史状态的焚化采霭除误计数，但是栏厂予耗费太大。凼此本又 采用了防抖计数电路用来纠正误计数，同时区分电梯的上下行，提供正旋脉冲 输出和反旋脉冲输出，计数频率可达1 0 m i - - i z 。如图2 4 和图2 - 5 所示。 a 厂厂 b nnnn 厂 如图2 4 为抗抖动计数电路原理图，该电路分为四个部分：译码电路u 4 a ； 互锁电路u 5 a 、u 5 b ；正旋计数链j l 、j 3 、j 5 和反旋计数链j 2 、j 4 、j 6 。当旋转 编码器正向旋转时，译码器输出的状态顺序为d 、a 、b 、c 、d 、a 、b 、c 。 当b = o 、a = 0 时，进入d 状态，与门u 5 a 的p i n 2 = a = 0 ，于是u 5 a 的输出p i n 3 = 0 ， d 触发器j 1 的r = d = l 、s = 0 ，因此j 被清0 。与f - 1u 5 b 的p i n 5 = c = 0 ，于是u 5 b 的输出p i n 4 = 0 。d 触发器j 2 的r = d = l 、s = 0 ，因此j 2 也被清0 。这时j 1 、j 2 的q 端都为1 ，与门u 5 的p i n l = p i n 6 = l ，u 5 a 和u 5 b 都处于等待开门状态。当进入 状态a 时，q i = a = l 。u 5 a 的p i n 2 = a = l 。由于c = 0 ，所以j 2 的q 端仍为l ，u 5 a 的p i n l = l ，u 5 a 的输出p i n 3 = l 。j l 的r = d = 0 ，s = l ，因此j 1 被置l 。j l 的q = i ， q = 0 。因j l 的q = 1 ，正旋标志送到了j 3 的d 端。同时j 1 的q 端关闭了u 5 b 。 在下一个d 出现之前，所有的c 脉冲都不会改变j 2 的状态。这就是说j l 、j 3 、 j 5 组成的正旋计数链被打开，j 2 、j 4 、j 6 组成的反旋计数链被阻断。u 5 a 、u 5 b 、 j l 、j 2 完成互锁的功能。在进入状态a 时，j 3 和j 5 被清0 。在进入状态c 前，j 3 处于待触发状态。j 3 的c l k = c 。当c 脉冲上升沿过后，d = i 被打入j 3 的q 端， 正旋标志送到了j 5 的d 端。在进入状态d 前，j 5 处于待触发状态。j 5 的c l k = d ， 当d 脉冲上升沿过后，d = i 被打入j 5 的q 端。正旋标志送到了正旋计数输出端。 正旋计数输出端由低电平变为高电平。到此为止，完成了一次正旋计数。 经以上分析可知a 的出现抢到了正旋计数权。只有在d 重新出现后，脉冲c 才可能有机会得到反旋计数权。从而保证了一旦进入正旋计数状态，不全完成这 一过程，就进入不了反旋计数状态。运行时有可能从状态a 返回状态d ，结果只 不过释放正旋计数权。因这时正旋标志还只在j 3 输入端上，a 出现时已把j 3 清 0 。d 状态只会把0 送给j 5 的q 端，因此防止了正旋时误计数的发生。当旋转编 码器反向旋转时，分析方法与此类似。 8 第二章前端机设计 图2 - 4 抗抖电路 垒厂 厂 厂 厂 堡厂 厂 厂 厂 正警兰兰竺堂n几r 2 2 3 脉冲信号的传输 厂 厂 厂 厂 黾厂 厂 厂 厂 反琶兰兰竺兰厂r n 图2 5 抗抖电路输出波形 防抖电路的输出波形经r s 2 3 2 传送方式传输到w 7 7 e 5 8 所在的电路板， r s 2 3 2 c 接口是目前常用的一种通信接口，是美国电子工业协会( e i a ) 公布的， 在异步串行通信中应用最为广泛。该标准适用于d c e 与d t e 间的串行二进制通 信，最高数据传输率可达19 2 k 位每秒，最长传送电缆为1 5 米。串行通讯的方 式可以分为同步式和异步式两种。异步通讯只需9 个管脚就够了，同步通讯需要 2 5 个管脚。对于一般的双向通信，只需使用串行输入r x d ，串行输出t x d 和 地线g n d 。r s 2 3 2 c 标准的电平采用负逻辑，规定+ 3 v 至+ 1 5 v 之间的任意电 9 第二章前端机设计 平为0 逻辑电平而3 v 至1 5 v 之间的任意电平为l 逻辑电平，与r 几和c m o s 电平是不同的。在接口电路和计算机接口芯片中大都为t t l 或c m o s 电平，所 以必须进行电平转换，以使两种电平匹配【i 5 1 。 本设计选用一种单电源低功耗的r s 2 3 2 芯片m a x 2 3 2 来实现电平转换。基 于整体考虑系统采用光电隔离，光耦采用高速光电耦合器c n y l 7 - 3 ，电路设计 上通过外接电容可以完成从t t l 电平到r s 2 3 2 电平的转换电路图如图2 6 所示。 防抖电路输出的正反计数脉冲分别经c n y l 7 3 进入m a x 2 3 2 变换后成为标准的 串口电平并被传送至主控芯片所在的电路板。 m a x 2 3 2 芯片是m a x i m 公司生产的低功耗，单电源双r s 2 3 2 发送接收器。 适用于各种e i a 2 3 2 e 和v 2 8 v 2 4 的通信接口。m a x 2 3 2 芯片内部有一个电源 电压变换器，可以把输入的+ 5 v 的电源变换成r s 2 3 2 c 输出电平所需1 0 v 电 压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+ 5 v 电源即可。 r - 4 图2 - 6r s 2 3 2 通讯驱动电路 其接口电路如图2 6 所示。m a x 2 3 2 外围需要6 个电解电容c 1 - - c 6 ，是内部 电源转换所需的电容，取值均为1 l y 2 5 v 。宜选用钽电容并且应尽量靠近芯片， c 5 为0 1 心的去耦电容。 在主控芯片一侧，为了接收来自编码器的电梯运行状态信号，同样必须对通 讯信号的电平进行转换。如图2 7 所示，m a x 2 3 2 的引脚r 1 0 u t ，r 2 0 u t 为接 t t l c m o s 电平的引脚。引脚r l i n ，r 2 i n 为接r s 2 3 2 c 电平的引脚。因此 r 1 0 u t ，r 2 0 u t 引脚应接计数芯片；r 1i n ，r 2 i n 应接经由r s 2 3 2 传送的正旋 计数脉冲和反旋计数脉冲。 1 0 第二章前端机设计 + 5 0 v 2 2 4 计数芯片的应用 g n d ： 图2 7 m a x 2 3 2 接口电路 数脉冲 数脉冲 单片机自带的计数器中，定时器计数器0 用作软件延时，定时器计数器1 用作串行口l 的波特率发生器，定时器计数器2 用于串行口0 的波特率发生器。 因此为实现脉冲计数功能需另设一个计数芯片，如图2 8 所示。q a 7 4 0 9 0 8 r 是8 位总线、2 4 位二进制输出，加减计数输入的可逆计数芯片。正旋计数输出和反旋 计数输出分别接入芯片q a 7 4 0 9 0 8 r 的c p l 和c p 2 端进行脉冲的计数，c s 0 ，c s l 和r s t 分别接译码器的输出端y 3 ，y 4 和w 7 7 e 5 8 的p 2 4 。r s t 引脚用于对计 数芯片进行重置。单片机执行采样程序时依次将c s 0 和c s l 置为0 1 ，1 0 ，l l ， c s 为0 1 ，1 0 和1 1 时分别由i o 口p o 读入脉冲计数的低八位，中八位和高八位。 采样程序结束后，c s 0 和c s l 置为o o 其作用为将输出设为高阻态并保持计数芯 片的数据实时更新。 c p l 一c 5 1 c p zc 5 0 6 n dr i r s tn c o n d v c r - b o b 7 b lb 6 8 2 b 5 8 3b 4 图2 - 8 芯片q a 7 4 0 9 0 8 r 第二章前端机设计 电梯在运行过程中，根据所采集到的脉冲数可以利用软件实时计算出电梯楼 层位置、各种换速点、限位点、门区信号和平层位置信号等。程序流程图如图 2 - 9 所示，主控芯片由q a 7 4 0 9 0 8 r 读入脉冲数，通过与前一次读入脉冲数相比 较判断电梯的上下行并根据两次读入脉冲数的时间间隔计算电梯速度。将各楼层 对应的平层信号，换速信号以及限位信号等对应的脉冲数预先写入寄存器中，通 过与这些值比较即可得出电梯的位置，由此可以省去原来每层在井道中设置的上 述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连线，降低了成本。 图2 - 9 脉冲计数处理程序流程图 2 3 轿厢载重量的测量 电梯监控系统一般需要测量装置提供轻载、满载、超载三个开关量信号，一 些智能化的监控系统还需要模拟量电压或电流输出信号以测得具体的轿厢重量。 1 2 第二章前端机设计 2 3 1 称重传感器的选择及其电路设计 目前测量载重的传感器较多，有压敏电阻式，电涡流式，电容式等。这些传 感器的特点是电路设计复杂，安装操作麻烦随着测量量程的增大，体积也会增 加。并且大多输传感器测量时需要与被测物体相接触，比较容易磨损，一旦接触 表面不均匀，则灵敏度会f 降很多，大大限制了传感器的使用寿命。本文采用一 种新的，基于霍尔效应的非接触式传感器作为电梯重量传感器【i “。 这种霍尔传感器是将霍尔元件，放太器温度补偿器及稳压电路集成在一个芯 片上，它基于霍尔效应，可以将磁场磁通量的变化转化成线性电压信号的输出。 应用于电梯称重变送装置时，将集成的霍尔传感器固定在轿厢的底部，并在轿厢 底部放置一块永久磁体，如图2 1 0 所示。当有人进入轿厢时，轿厢底部因受重 而产生形变，磁体和霍尔传感器之间产生位移引起霍尔传感器感应的磁场磁通量 变化，从而产生相应的线性电压输出，进而获得载重、位移与电压的对应关系。 输出的电压经过差分放大得出需要采集的量。轿厢底部的橡胶的压缩位移为 3 m m 】0 m m ，称重变送装置可对5 k g 的载荷变化量做出反应。 图2 - 1 0 称重变送装置安装结构示意图 器丁 在实际使用中经常遇到的问题是：霍尔传感器的饱和输出电压和无磁场时的 输出电压相差过小，这个电压范围太小将不利于a d 采样。可咀采用差分放大 电路来扩充电压的采集范围，如图2 i i 所不。 第二章前端机设计 图2 1 l 放大及采样保持电路示意图 换通道 为了解决电梯载重从空载到满载所对应的输出电压范围较小，并提高载重的 分辨率，采用了差分放大电路。选用4 1 v ( m c p l 5 4 1 ) 的基准电源，通过一个可调 的分压电路得到基准电压v j ，设霍尔传感器的输出电压为v h ，则经过差分放大 后的电压v c 为 v c = ( v h v j ) 毒r f r 1 ( 1 3 ) 选择合适的r f 与r 1 的值，可以使输出电压v c 的取值范围在0 v 5 v 之间， 从而达到扩大电压采集范围和改进分辨率的目的。 2 3 2a d 转换器的应用 放大器输出的电压信号需通过a d 转换，变成单片机便于处理的数字信号。 考虑到本监控系统的输入模拟量对精度的要求不是很高，所以可以采用中低分辨 率的a d 转换器，又因为所采集的模拟量的变化频率不是很高，因此采用中低 速的a d 转换器即可。逐次比较型的中速a d 转换器转换时间从几微秒到1 0 0 微秒不等，比较适用于多通道单片机监控系统。 基于上述两条，加上价格因素和方便p c b 制作和走线，本设计采用德州仪 器公司的1 1 位开关电容型逐次逼近模数转换器t l c 2 5 4 3 ，它具有三个控制输入 端，采用简单的3 线s p i 串行接口可方便的与单片机直接连接。t l c 2 5 4 3 的特征 如下：1 1 个模拟输入通道；6 6 k 位每秒的采样速率；最大转换时间为1 0 微秒； 线性度误差最大为+ 1 l s b ；低供电电流( 典型值为l m a ) 。 1 4 第二章前端机设计 g n d c 2 6 ：兰l c 2 7 2 2 u 2 5 v - - i z 而iu f t l c 2 5 4 3v g n d a o a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 g n d v c c e o c 2 0 _ 1 9 _ 一 1 8 _ 1 7 _ _ 1 6 _ _ 一 1 5 1 4 一 1 3 _ 一 1 2 _ 一 1 1 r e f 0 2 n cn c v i nn c t e m pv o t a t g n dt r i m w l 1 0 k g n d 图2 1 2 t l c 2 5 4 3 接口电路 如图2 1 2 所示，a 0 a 1 0 为模拟输入端，由内部多路器选择。前端机需要采 集的模拟量经传感器及信号转换电路最终接到a 0 a 1 0 。r e f 0 2 为参考电压芯片， 其输入为+ 1 5 v 电压，输出为t l c 2 5 4 3 提供+ 5 v 的基准电压。 c s 由高变低将启动一个i o 周期，复位内部输入数据寄存器，此时输出寄 存器中的值是随机的，故第一次转换的结果取出时应被忽略。当c s 变为高时， i 0c l o c k 和d a t ai n p u t 被禁止，d a t ao u t p u t 为高阻状态。 d a t ai n p u t 为串行数据输入端，串行数据以m s b 为前导并在i oc l o c k 的前4 个上升沿移入4 位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号，之后i o c l o c k 将余下的几位依次输入。d a t ao u t 为a d 转换结果的三态输出端，在 c s 为高时，该引脚处于高阻状态，当c s 为低时，该引脚由前一次转换结果的 m s b 位置成相应的逻辑电平。i oc l o c k 为时钟输入输出端，因为单片机的晶 振为1 1 0 5 9 2 m h z ，所以此处i oc l o c k 为2 微秒。 2 3 3a d 转换器的硬件接口及接口程序 由于w 7 7 e 5 8 不具有s p i ( 串行外设接口) 和相同能力的接口，为了便于与 t l c 2 5 4 3 接口，采用软件合成s p i 操作，为减少数据传送速率受微处理器的影响， 尽可能选用高时钟频率。接口电路如图2 1 3 所示。t l c 2 5 4 3 的i o 时钟、数据 输入、片选信号分别由p 1 1 ，p 1 2 ，p i 0 提供，转换结果由p 1 3 以串行方式读 出。 洲m一3册盱舢触洲一3一一舢触 第二章前端机设计 w 7 7 e 5 8t l c 2 5 4 3 p 1 o c s p 1 1i oc l o c k p 1 2d a t ai n p u t p 1 3d a t ao u t p u t 图2 1 3t l c 2 5 4 3 与微控制器接口 t l c 2 5 4 3 的时序为( 以8 时钟为例) ：在t l c 2 5 4 3 的c s 为低时开始传送过 程，i oc l o c k 在前8 个上升沿将8 个输入数据位读入输入数据寄存器，高4 位用于模拟输入通道的选择；同时它将前一次转换的8 位数据移入d a t ao u t 端，在i oc l o c k 下降沿时数据移出。程序设计的思路为：用累加器和带进位 的左循环移位指令来合成s p i 功能，读入转换结果的第一个字节的第一位到进位 位( c ) 。累加器的内容通过进位位左移，通道选择数据的第一位由p 1 2 输出到 t l c 2 5 4 3 。然后由p 1 1 先高后低的翻转来提供串行时钟。这个时序再重复七次， 完成转换数据的第一个字节的传送。第二个字节由重复八次时钟脉冲和数据传送 的整个序列来传送，即在读出第一次转换结果的同时，将下一次要选择的通道号 发送到t l c 2 5 4 3 中去。注意第一次转换的结果应丢弃。 图2 1 4 模拟量采集子程序流程图 1 6 第二章前端机设计 2 4 开关量信号的采集 除了前面讨论的两类信号之外，电梯监控系统还需要采集的信号有： ( 1 ) 各楼层的呼梯信号以及电梯轿厢内的选层信号如楼层按钮信号和开门关 门按钮信号和司机自动、检修运行正常运行信号等。 ( 2 ) 上电断电，开关f - j n 位秘安全钳信号等。 这两类信号均可由按钮开关，继电器；接触器等控制执行元件的状态反映出 来。如图2 1 5 所示，无论电梯的控制器采用p l c 或是微机，这些信号在控制器上 的输入接口侧一般都有相应的输入端子相对应。例如，在每道厅门和轿门上都设 有门电气联锁触点，只有当全部门关闭好后，所有门电气联锁触点闭合，门锁继 电器j m s 吸合，相应的输入端子得到信号，电梯才能开始运行。因此可以根据输 入端子的通断状态判断出类似开关i - jn 位信号这样的开关量信号0 7 1 1 8 11 1 9 1 唧1 。 图2 15 电梯控制器对外连接图 第二章前端机设计 由于端子对应的接线上的电流的有无可咀判断相应信号的开关量信号的状