許 悅，左小五

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200090)

0 引言

自動扶梯是一種用于在層與層之間運輸乘客的電力驅(qū)動設(shè)備，在城市軌道交通、商業(yè)購物中心以及政府辦公機構(gòu)中隨處可見，為人們帶來了很大的便利[1]。但隨著生活水平的提高和科技的進步，人們對扶梯的乘坐舒適性及安全性的評價標準也越來越嚴格。梯級在扶梯運行時，過大的振動幅度會給乘客造成不好的乘坐體驗；同時，扶梯啟動及停止時過大的加速度則會造成乘客因慣性后仰或者前傾，產(chǎn)生安全隱患。目前，扶梯在速度變化時的加速度測試步驟較為繁瑣，檢測效率低下，測試設(shè)備無法實時、準確地反映扶梯的加速度[1]。扶梯相關(guān)的標準中對加速度卻有十分明確的要求，如：EN115-1：2017中明確要求扶梯啟動時的加速度不得超過0.3 m/s2；GB 16899中明確要求扶梯的附加制動器在單獨工作時[2]，扶梯制動時沿運行方向的減速度不應超過1 m/s2。因此，本文研究、開發(fā)了一套基于μC/OS-II的扶梯加速度檢測系統(tǒng)。

1 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)分為機械部分和電氣部分。機械部分主要用于保證在扶梯啟動的過程中，測試系統(tǒng)可以牢固地黏附在梯級踏板上，從而避免因測試模塊移位而影響測試精度。電氣控制結(jié)構(gòu)選用了STM32F103ZET6單片機作為主控芯片，并且移植了μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，以保證測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的實時性和準確性。μC/OS-II是由Jean J.Labrosse在1999年編寫的一個嵌入式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，在2000年得到了美國聯(lián)邦航空管理局對于商用飛機的、符合RTCA DO-178B標準的認證，從而證明了μC/OS-II具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。 加速度傳感器選用ADXL345[3]，并配置了TFT-LCD屏幕[4]作為操作界面，為測試人員提供了較好的人機交互體驗。在測試過程中，測試系統(tǒng)調(diào)用了FatFS文件系統(tǒng)模塊。FatFS是一個完全免費、開源的FAT文件操作系統(tǒng)，專為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計。其完全用標準的C語言編寫，具有良好的硬件平臺獨立性，可支持FAT32，支持多個存儲媒介，具有獨立的緩沖區(qū)，可以對多個文件進行讀寫。本文通過FatFS模塊的底層接口(如存儲媒介讀/寫接口、供給文件創(chuàng)建修改時間的實時時鐘)的編寫，成功將FatFS系統(tǒng)移植到STM32平臺上。測試時，屏幕會實時顯示測試數(shù)據(jù)。測試人員可以通過按鍵啟動測試、停止測試、保存測試數(shù)據(jù)到SD卡，也可以查看SD卡的剩余容量等。同時，該測試模塊還支持將測試的原始數(shù)據(jù)導出至SD卡中，為后續(xù)的測試以及分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

電氣控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電氣控制結(jié)構(gòu)Fig.1 Electrical control structure

2 系統(tǒng)的安裝方式

隨著壓鑄工藝的發(fā)展及普及，市場上大部分扶梯的梯級使用了鋁合金材質(zhì)，無法被磁鐵吸附。因此，磁吸式的固定方式很難被廣泛應用于目前的大部分扶梯之上。但加速度模塊必須牢固地黏附在梯級上，才能保證測試數(shù)據(jù)的準確性。為此，本文設(shè)計了一種尼龍材質(zhì)的可拆卸固定裝置。機械固定方式如圖2所示。

圖2 機械固定方式Fig.2 Mechanical fixation

由圖2可知，通過與梯級踏板梳齒間距的過盈嚙合，可保證測試模塊牢固地黏附在梯級踏板上；而尼龍的材質(zhì)也不會對梯級踏板外表面造成任何的損傷和變形。對于不同尺寸的梯級齒間距，可以定制不同的固定裝置。

3 系統(tǒng)的測試流程及功能實現(xiàn)

扶梯加速度檢測系統(tǒng)的測試流程如下。

測試系統(tǒng)固定在梯級上。系統(tǒng)上電進入main函數(shù)后，會有一系列的初始化過程。其功能主要是實現(xiàn)μC/OS-II的初始化。

首先，系統(tǒng)調(diào)用OSInit()初始化所需的所有變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并建立一個最低優(yōu)先級的空閑任務(wù)。

其次，是AXDL345數(shù)據(jù)采集傳感器初始化，以及TFT-LCD屏幕驅(qū)動的初始化。待初始化完成后，測試屏幕即顯示一部分測試準備信息，并調(diào)用STM32自帶的SDIO驅(qū)動接口初始化函數(shù)。當檢測到SD卡已插入卡槽后，則調(diào)用FatFS文件系統(tǒng)的f_mount函數(shù)掛載到SD卡的邏輯盤符。若檢測到SD卡未插入，則在測試屏幕上作出文字提示。

最后，創(chuàng)建了start_stask線程，并調(diào)用OSStart()函數(shù)啟動多任務(wù)模式。值得注意的是，main函數(shù)是一個應用程序的主函數(shù)，是程序運行的入口點。它不調(diào)用任務(wù)，但要負責任務(wù)的創(chuàng)建，并將它們交給μC/OS-II系統(tǒng)。本系統(tǒng)將這部分工作放到了main函數(shù)創(chuàng)建的線程start_task中。在start_task線程中，系統(tǒng)初始化了統(tǒng)計任務(wù)。該任務(wù)每秒計算一次CPU在單位時間內(nèi)被使用的時間，并把計算結(jié)果以百分比的形式存放在變量OSCPUasge中，以便實時調(diào)用該變量，并將測試系統(tǒng)的CPU使用率顯示在測試屏幕上。

除此之外，本系統(tǒng)還創(chuàng)建了消息郵箱，即在內(nèi)存中創(chuàng)建了一個存儲空間。本系統(tǒng)以傳遞該存儲空間指針的形式來實現(xiàn)任務(wù)與任務(wù)間的數(shù)據(jù)傳遞。操作系統(tǒng)在有異步事件發(fā)生時會引發(fā)中斷請求，而大部分的任務(wù)線程的創(chuàng)建并不希望被中斷干擾。μC/OS-II提供了OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()兩個宏封裝了與系統(tǒng)硬件相關(guān)的關(guān)中斷指令和開中斷指令，而處在關(guān)中斷與開中斷之間的代碼段就是臨界段。CPU在中斷關(guān)閉期間不響應中斷請求。臨界段的代碼不會受到中斷的干擾。在臨界區(qū)，創(chuàng)建了LED燈閃爍線程led_task、按鍵掃描線程key_scan、SD卡信息檢測函數(shù)sdio_task,以及主任務(wù)函數(shù)main_task。led_task線程讓電路板上的LED燈不停地間隔閃爍，以提示系統(tǒng)正在運行。按鍵掃描線程key_task用于檢測相關(guān)功能的物理按鍵是否按下，并將按鍵值以消息郵箱的形式發(fā)送給主任務(wù)函數(shù)main_task。SD卡信息檢測函數(shù)sdio_task用于查詢SD卡的類別、總?cè)萘亢褪Ｓ嗳萘?，并將這些信息實時顯示在測試屏幕上。系統(tǒng)主要支持的SD卡類型為SDHC(SD2.0高容量卡)、SDSD(SD2.0標準容量卡)、SD1.x卡和MMC卡。在主任務(wù)函數(shù)main_task中創(chuàng)建了兩個軟件定時器。軟件定時器定義了一個單獨計數(shù)的OSTmrTime。系統(tǒng)會創(chuàng)建一個高于應用程序中其他所有任務(wù)優(yōu)先級的定時器管理任務(wù)OSTmr_Task，并在這個任務(wù)中進行定時器的到時判斷和處理。軟件定時器縮短了中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時間，但也使得定時器到時處理函數(shù)(定時器回調(diào)函數(shù))的響應受到中斷退出時恢復線程和任務(wù)切換的影響。軟件定時器適用于具有較高精度要求、較低資源占用要求、較小處理器開銷的任務(wù)處理。軟件定時器1的回調(diào)函數(shù)主要用于AXDL345的數(shù)據(jù)采集，并將三軸加速度的實時值和最大值顯示到測試屏幕上。軟件定時器2的回調(diào)函數(shù)主要調(diào)用了FatFS的mf_opendir和mf_write函數(shù)，在SD卡根目錄中打開測試路徑，創(chuàng)建測試文件，并將AXDL345采樣得到的三軸實時加速度值以.CSV格式存儲到測試文件中。值得注意的是，在具體的調(diào)試過程中，軟件定時器1的在周期定時模式下的定時時間dly值必須短于軟件定時器2的定時時間，否則可能會導致數(shù)據(jù)重復讀取的現(xiàn)象發(fā)生。同時，主任務(wù)函數(shù)main_task還用于接收key_scan發(fā)過來的信號量信息并作出對應的反饋。啟動測試按鍵用于打開軟件定時器1，保存數(shù)據(jù)按鍵用于打開軟件定時器2，停止測試按鍵用于關(guān)閉軟件定時器1與軟件定時器2。最后，系統(tǒng)調(diào)用OSStart()函數(shù)，運行整個測試系統(tǒng)。

在測試過程中，系統(tǒng)會在SD卡根目錄的TEST的文件夾中創(chuàng)建一個名為000.CSV的測試文件。按下測試按鈕后，測試模塊會將三軸的加速度實時值及三軸的加速度最大值實時顯示在顯示屏上，以便測試人員進行觀察確認。同時，系統(tǒng)會調(diào)用FatFS的相關(guān)API，將三軸的加速度的實時值寫入剛新建的000.CSV文件中。在測試結(jié)束后再次按下測試按鈕，則系統(tǒng)停止檢測。

測試屏幕的顯示內(nèi)容依次是單片機CPU及內(nèi)存信息、SD卡的剩余存儲容量、三軸的最大加速度值、三軸的實時加速度值以及測試文件的存儲目錄。考慮到需要保證數(shù)據(jù)的采樣時間，系統(tǒng)創(chuàng)建了2個μC/OS軟件定時器[5]。軟件定時器1的回調(diào)函數(shù)用于AXDL345采集測試數(shù)據(jù)并實時顯示。軟件定時器2的回調(diào)函數(shù)用于將測得的三軸加速數(shù)據(jù)寫入SD卡根目錄的CSV格式文件中[6]。同時，在主任務(wù)中，分別設(shè)置了軟件定時器1與軟件定時器2的周期定時時間。當?shù)诙螠y試任務(wù)結(jié)束后，再次按下啟動測試按鍵，系統(tǒng)會再次調(diào)用FatFS[7]的相關(guān)API在SD卡根目錄建立名為001.CSV的測試文件，以此類推。系統(tǒng)中創(chuàng)建的按鍵處理任務(wù)的按鍵值通過消息郵箱發(fā)送給主任務(wù)，由主任務(wù)進行處理，作出相應的反饋。

4 加速度計的偏移校準

本系統(tǒng)加速度計選用的ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計。其測量范圍為±16 g，分辨率3.9 mg/LSB，數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進制補碼格式，可通過SPI4線接口訪問，非常適用于移動設(shè)備。該加速度可以在傾斜檢測應用中測量靜態(tài)加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度；能夠測到不到1.0°的傾斜角度變化，并且支持低功耗模式。ADXL345加速度計內(nèi)部為機械結(jié)構(gòu)，包含可以自由移動的元件。這些運動元件對機械應力非常靈敏，程度遠超一些固態(tài)電子產(chǎn)品。傳感器參數(shù)中的0 g偏移為重要的加速度計指標。因為它定義了了用于測量加速度的基線，組裝測試系統(tǒng)時可能會因原件焊接、電路板應力等給這些加速度計內(nèi)部的運動元件施加額外的應力。因此，在每次測試系統(tǒng)上電后，都加入了一段用于對加速度計進行上電校準的校準補償程序，以補償這些應力帶來的測試誤差。

5 實際數(shù)據(jù)測試結(jié)果分析

本文實測的對象為迅達電梯(中國)有限公司測試中心的一臺測試梯，梯速為0.5 m/s。為了驗證自動扶梯加速度檢測裝置的測試精度和可靠性，將本裝置與美國PMT公司的EVA625電梯/扶梯振動噪音分析儀同時進行現(xiàn)場實測并進行結(jié)果對比。EVA625電梯/扶梯振動和噪音分析儀是一款測試自動扶梯與電梯運行狀態(tài)的專業(yè)產(chǎn)品。該儀器可以對自動扶梯和電梯的多項特性參數(shù)進行測量，如速度、運行距離、加(減)速度、扶梯梯級與扶手帶的插值等，并將測得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上進行保存；能對數(shù)值進行分析，從而發(fā)現(xiàn)扶梯運行過程中存在的問題。目前，國內(nèi)多數(shù)的電梯、扶梯廠家已經(jīng)將該測試系統(tǒng)作為扶梯驗收、檢測的標準，具有權(quán)威性。同時，采用本文設(shè)計的測試裝置與EVA625對該扶梯的加速度測試和記錄可以驗證本文測試系統(tǒng)的有效性。在此，截取了扶梯啟動加速階段ADXL345加速度計測得的連續(xù)20個數(shù)據(jù)。ADXL345實測值如表1所示。

表1 ADXL345實測值

通過在整個測試階段對從SD卡導出的ADXL345采集的原始數(shù)據(jù)[8]，按式(1)取均方根，作離散程度分析[9]。

(1)

將ADXL345與EVA625的均方根進行對比，結(jié)果如表2所示。由表2的結(jié)果可知，EVA625測得的扶梯的三軸加速度均方根值與本文加速度測試系統(tǒng)測試處理得出的加速度均方根值基本一致，因此表明本文設(shè)計的加速度檢測系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

表2 ADXL345與EVA625的均方根對比結(jié)果

6 結(jié)論

本文采用μC/OS實時操作系統(tǒng)及FatFS通用文檔管理系統(tǒng)，設(shè)計了一種準確、高效的自動扶梯加速度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)簡化了扶梯加速度的檢測步驟、通過在扶梯梯級上固定檢測裝置，實現(xiàn)了對扶梯加速度值的有效檢測，為扶梯加速度檢測提供了一種新的解決方案。通過與EVA625測試儀在同一臺扶梯上的測試數(shù)據(jù)的比對，表明本文設(shè)計為扶梯的穩(wěn)定、舒適運行提供了一個評價方案。該研究具有重要的實用意義。