便携式电梯多参数一体化测量仪设计

时间：2024-08-31

王鹏飞，李纵华

（内蒙古自治区特种设备检验院，内蒙古呼和浩特 010031）

0 引言

电梯安全的重要性毋庸置疑，而随着电梯制造技术的发展，电梯数量的高速递增，电梯安全检验标准及检验仪器也在更新，传统的电梯检验方法既费时又费力，不能满足目前电梯快速、高效、高质的检验要求，因此研制出一款便携而又集多种检验功能于一体的电梯检验仪是十分必要的。

1 国内外研究现状

在电梯的安装维护及检测检验现场，进行梯速检测的测速装置、进行电梯工作电压测试及电梯平衡系数试验等所用的钳形电流表以及进行井道顶部空间和底坑空间安全距离检测的测距仪等装置，在国内和国外都比较成熟，相应的产品种类也很多。关于钳形电流表，国外主要以美国福禄克（Fluke）、日本SANWA、日本HIOKI、德国BEHA品牌为代表，国内主要以香港华谊、台湾TES、深圳胜利品牌为代表；关于数字转速表或测速仪，国外主要以日本SANWA、日本共立（KYORITSU）、德国乐达（RHEINTACHO）、美国蒙那多（Monarch）品牌为代表，国内主要以大连徠特、LUTRON／路昌、上自仪、SHIMPO等品牌为代表；关于测距仪，国外的主要有瑞士徕卡（LEICADISTO）、德国博世（BOSCH）、法国阿克泰克（Agatec），国内主要有国产普瑞测、香港CEM、华谊仪表MASTECH。为了更好地适应电梯技术的发展及促进电梯运行安全，国内外也对电梯相关部件的检测检验设备进行了一定程度的集成与改进，具有了便携与多功能等特点，如自动扶梯同步率测试仪、自动扶梯运行参数测试仪、电梯／扶梯运行质量分析仪，尤其是美国GP公司销售的PMT EVA-625电梯综合性能测试仪，其所拥有的EVA系统能够精确地量化加速度和噪声的测量数据，是乘运质量和电梯系统问题诊断的最真实的标准，其具备的宽带响应可诊断电梯和扶梯系统的机械和控制元件，使有缺陷和已磨损的组件在电梯发生故障前就可辨别出来。不过以上这些设备体积庞大，价格昂贵，也不便于携带。

2 测量仪设计原理及依据

便携式电梯多参数一体化测量仪的设计原理是在仪器结构紧凑、携带方便的前提下，将电梯安全检验的常用工具包括转速表、测速仪、测距仪、钳形电流表的所有基本功能共同集成到一块芯片上，实现一表多参数测量功能。

Advanced RISC Machines（ARM）是以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，方便适应，且对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面均有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等4部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等，具有体积小巧、集成度高、功能强大、资源丰富、性价比高等优势，可以方便地将转速表、测速仪、测距仪等各仪表的功能模块组合为一体，并力求达到便携与小型的效果。

3 测量仪系统设计

3.1 系统整体结构设计

以嵌入式ARM为主控芯片，“手持上位机+测试主控盒”为基本架构，测试主控盒连接各传感器，将各传感器信号采集到主控系统中，具有高实时性与可靠性的特点。通过主控盒检测采集并分析各参数，与手持上位机通讯，实现上位机下发指令及察看和记录检测数据的功能。测量仪系统整体架构如图1所示。

3.2 系统主控结构设计

主控芯片采用“Coytex-M4+DSP”架构的STM32F4系列芯片，结合了ARM开发简便、资源丰富以及DSP强大信号处理能力的优点，拥有丰富的IO接口，便于主控电路的开发。其DSP模块可实现数据的存储和分析处理，将主处理器ARM从繁重的计算中解放出来，主要负责系统监控管理及网络传输等任务。基于此设计思想开发的嵌入式数据采集和处理系统，既能实现高频数据信号的精确采集，又能保证运算处理的实时性与准确性，并且系统稳定可靠。主控箱功能模块框图如图2所示，系统主要包括数据采集控制模块、数据传输控制模块、主从系统及其外围器件、主处理器ARM和DSP接口等部分。DSP运行速度高，A／D转换芯片与DSP之间可以增加数据缓冲器，使相对低速的数据采集和高速器件DSP匹配，采用高速异步FIFO来实现现场传感数据信号的A／D转换及信号提取。

图1 便携式电梯多功能一体化测量仪系统整体架构

STM32F4xx采用哈佛结构，比传统的冯诺依曼结构具有更高的指令速度，采用并行流水技术、片内外两级存储结构、独立的加法器和乘法器，其强大的浮点运算能力大大提高了整体运行速度。以它作为系统的数据处理核心，用以启动AD转换、读取现场传感数据、存储并运算分析，使得数据处理能力大大提高。

4 系统功能应用

4.1 硬件安装

根据不同测试对象，安装合适的测试仪器，这些传感器件通过各自的接口电路与主控盒连接。

4.2 测试过程

4.2.1 指令下发

在完成硬件安装后，可以通过多种方式进行指令下发：

（1）主控盒键盘按键选择，可以对单个信号进行检测，也可多选。

（2）通过手持式上位机点击测试界面上的功能按钮下发测试指令，指令经由无线通信下发到主控盒。

（3）在主控盒和上位机上，都可以通过按下组合功能按键进行特定类电梯的所有数据检测。

在指令下发成功后，主控盒完成接收指令并发出测试命令，在主控盒及上位机上进行反馈指示。

图2 主控盒功能模块框图

4.2.2 数据采集

当电梯开始测试工况的运转后，即可按下采集开始按钮进行数据采集并保存。在采集数据时，设有默认的采集参数，亦可在采集之前改变（如采样频率、测试次数等）参数，主控系统会将采集到的数据以采集时刻为参考基准进行保存。对于不同的测试参数，可能需要不同的测试时间和工作模式，系统将分别进行智能保存，并进行提醒。

4.2.3 数据显示

在数据采集时，可以根据需要进行实时曲线显示，也可以在完成测试后对历史数据进行绘图显示。手持上位机通过2.4GHz无线通信方式与主控盒完成实时通信。

4.3 测试分析

完成测试过程后，系统可以对采集到的数据进行智能分析，并与参考值进行比较；对有偏差的参数进行突出显示，并根据需要发出声光报警。根据需要，测试数据可以通过Ethernet上发服务器，或者通过USB OTG即插即用功能将数据保存到U盘等移动存储上，从而让工作人员在PC上进行更深入的分析研究，也方便数据的备份保存。