基于ARM9的電梯緩沖器復(fù)位時(shí)問測試儀的設(shè)計(jì)

0 引言
    隨著《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程》的發(fā)布，對檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的電梯檢驗(yàn)質(zhì)量提出了新的要求。但在《檢規(guī)》的實(shí)施過程中，不斷發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的檢驗(yàn)項(xiàng)目缺乏必要的、科學(xué)的檢測手段。為此，探索研制一些檢測儀器，設(shè)法滿足特種設(shè)備檢驗(yàn)的需要?jiǎng)菰诒匦小?br />    本研究針對電梯緩沖器復(fù)位時(shí)間的檢測要求而展開。《檢規(guī)》中是這樣描述的："對耗能型緩沖器需進(jìn)行復(fù)位試驗(yàn)，復(fù)位時(shí)間應(yīng)不大于120s。"對應(yīng)的檢驗(yàn)方法是："轎廂在空載情況下，以檢修速度下降，將緩沖器全壓縮，從轎廂開始離開緩沖器瞬間起，直到緩沖器回復(fù)原狀。觀察并用秒表計(jì)時(shí)。"
    上述檢測手段主觀性太大，造成實(shí)際的檢驗(yàn)結(jié)果不具有科學(xué)性、準(zhǔn)確性，應(yīng)當(dāng)開發(fā)一套成本相對較低，但檢驗(yàn)精度高、效率高，安裝容易，可靠性好的系統(tǒng)，用于緩沖器復(fù)位時(shí)間的檢驗(yàn)。考慮到上述要求和用戶的易用性，我們提出了基于ARM9的嵌入式Windows CE平臺(tái)方案。

1 系統(tǒng)功能特點(diǎn)
    采用三星S3C2410芯片，基于ARM-Windows CE的電梯緩沖器復(fù)位時(shí)間測試儀具備以下功能特點(diǎn)：精確性：采用轎廂運(yùn)動(dòng)過程中的緩沖器受力變化狀態(tài)信號以及緩沖器復(fù)位狀態(tài)信號的實(shí)時(shí)采集、分析方式，達(dá)到檢測結(jié)果精確，瞬時(shí)性好的目標(biāo)。
    實(shí)用性：應(yīng)用數(shù)據(jù)通信接口規(guī)范，使檢驗(yàn)結(jié)果判斷和檢驗(yàn)結(jié)果輸出自動(dòng)進(jìn)行，達(dá)到有效提高檢驗(yàn)的安全性和工作效率的目標(biāo)。
    易用性：采用便攜式設(shè)計(jì)，提供彩色圖文界面和觸摸屏操作，直觀方便易用。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案
2．1 總體設(shè)計(jì)方案
    電梯緩沖器復(fù)位時(shí)間測試儀三星S3C2410的ARM芯片為核心，采用TFT彩色液晶圖文顯示和觸摸屏操作。預(yù)留各種通信接口。系統(tǒng)主要有控制部分，數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，輸入輸出部分等4個(gè)主要組成部分。硬件上主要有上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，之間采用串口標(biāo)準(zhǔn)RS232通訊，具體硬件框圖如下圖1所示：

    系統(tǒng)的下位機(jī)部分主要負(fù)責(zé)前端的傳感器數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)以及和上位機(jī)的有關(guān)通訊，有關(guān)數(shù)據(jù)的分析和算法處理及用戶程序設(shè)計(jì)主要有上位機(jī)的S3C2410來完成。其通過串口接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)包，負(fù)責(zé)向下位機(jī)發(fā)送包含采樣參數(shù)的信息包，并承擔(dān)數(shù)據(jù)的處理，算法分析以及靜態(tài)參數(shù)的計(jì)算和顯示等工作。
2．2 數(shù)據(jù)采集方案
    下位機(jī)是一個(gè)基于高性能AVR單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)，具有溫度校正和軟件補(bǔ)償，承擔(dān)現(xiàn)場緩沖器恢復(fù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測采集，并按照一定的協(xié)議打包成數(shù)據(jù)包通過串口傳給上位機(jī)。測量最小距離4cm，最大距離500cm，分辨率為1cm。圖2為數(shù)據(jù)采集的硬件框圖：

3 系統(tǒng)軟件部分：
    Windows CE主要分為四個(gè)模塊，如圖所示，這四個(gè)模塊提供最重要的操作系統(tǒng)功能：內(nèi)核，對象存儲(chǔ)模塊，網(wǎng)絡(luò)與通訊模塊和GWES模塊。[!--empirenews.page--]Windows CE還包含其它可選模塊，支持如管理可安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和支持COM的任務(wù)，圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

3．1 定制操作系統(tǒng)
    為了把Windows CE移植到特定的目標(biāo)平臺(tái)上，微軟提供了一套完整的開發(fā)工具Platform Builder。該工具以對象庫格式提供給操作系統(tǒng)，以便開發(fā)人員可以將其作為特定操作系統(tǒng)平臺(tái)的組件。
    首先，選擇造作系統(tǒng)的基本配置，并且為特定的平臺(tái)選擇相應(yīng)的微處理器和板級支持包BSP(Board Suppor Packet)。本測試儀采用S3C2410處理器，因此我們改造了微軟提供的基于S3C2410的BSP，自定義了符合我們要求的BSP。
    其次，制定平臺(tái)，在此階段可開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，適當(dāng)?shù)夭眉簟⑻砑咏M件。然后，封裝所需的各功能模塊，編譯生成OS鏡像文件。接著，把鏡像文件下載到目標(biāo)設(shè)備，進(jìn)行調(diào)試。在此階段，我們主要進(jìn)行了串口和觸摸屏程序系統(tǒng)相關(guān)組件的添加和裁剪，編譯生成符合我們測試儀硬件要求的OS鏡像。
    最后，導(dǎo)出定制操作系統(tǒng)的SDK(Soltware Development Kit)軟件開發(fā)工具包，安裝到EVC中，便可以進(jìn)行基于我們定制的測試儀硬件平臺(tái)的應(yīng)用程序開發(fā)。如圖4所示為操作系統(tǒng)移植流程圖：

3．2 應(yīng)用軟件開發(fā)
    操作系統(tǒng)的主要任務(wù)是為了管理所有硬件資源，并且提供應(yīng)用軟件一個(gè)合適的操作環(huán)境。將Windows CE操作系統(tǒng)移植到ARM平臺(tái)上以后，下一步工作就是進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件主要在EVC的環(huán)境下開發(fā)完成，使用C語言為主要編程語言。主函數(shù)主要包含以下幾個(gè)模塊：用戶界面模塊、上下位機(jī)串口通訊模塊、算法分析處理模塊。
3．2．1 串口通訊協(xié)議說明
    模塊串口波特率9600，無奇偶效驗(yàn)，一位停止位。控制命令通過一致的幀結(jié)構(gòu)通訊，幀長度4字節(jié)：命令+數(shù)據(jù)0+數(shù)據(jù)1+校驗(yàn)和。效驗(yàn)和=命令+數(shù)據(jù)0+數(shù)據(jù)1的相加和的低8位。系統(tǒng)通過上位機(jī)串口直接對下位機(jī)模塊進(jìn)行操作。上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送啟動(dòng)16位距離讀取命令：Ox22+度數(shù)+NC+SUM。當(dāng)測量完畢時(shí)，這時(shí)返回的數(shù)據(jù)是：Ox22+距離高+距離低+SUM；當(dāng)測量無效時(shí)返回的距離高位和低位數(shù)據(jù)都是Oxff。(注：NC代表任意數(shù)據(jù)，SUM代表效驗(yàn)和)串行端口在Windows CE下屬于流接口設(shè)備，是串行設(shè)備接口常規(guī)I／O驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用與通信相關(guān)的具體函數(shù)的結(jié)合。串行設(shè)備被視為用于打開、關(guān)閉和讀寫串行端口的常規(guī)的可安裝的流設(shè)備。Windows CE的串口函數(shù)和Windows的串口函數(shù)基本相同，但有幾點(diǎn)值得注意：Windows CE只支持Unicode字符集，在編程時(shí)必須特別注意； Windows CE不支持重疊的I／O操作。在所有的流設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，均使用CreateFile來打開串行端口設(shè)備，如果這個(gè)端口不存在，CreateFile返回ERROR_FILE_NOT_FOUND。因此，用戶指定的端口必須是存在并且可用的，而且要遵循Windows CE流接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的命名規(guī)則，即COM后接要打開的端口號再緊跟一個(gè)冒號。[!--empirenews.page--]

    關(guān)閉串行端口比較簡單，調(diào)用CloseHandle函數(shù)就能關(guān)閉一個(gè)打開的串行端口。CloseHandle只有一個(gè)參數(shù)，即調(diào)用CreateFile函數(shù)打開端口時(shí)返回的句柄，方法如下：
    CloseHandle(hPort)；
    正如使用CreateFile打開串行端口一樣，可以使用ReadFile和WriteFile函數(shù)來讀寫串行端 口。假設(shè)已經(jīng)調(diào)用CreateFile成功地打開了串行端口，那么只需調(diào)用ReadFile即可從串行端口讀取數(shù)據(jù)：
 
    如果從主線程讀、寫大量的串行數(shù)據(jù)，主線程就會(huì)因?yàn)榈却鄬^慢的串行讀或串行寫操作而阻塞，不能即時(shí)處理其他的消息，因此這里用單獨(dú)的線程來讀寫串行端口。對于串行端口來說，還必須配置超時(shí)值，否則程序可能陷入到一個(gè)等待來自串口字符的死循環(huán)。通常，配置超時(shí)值和配置串口類似。首先用GetCommTimeouts函數(shù)獲取當(dāng)前串口的超時(shí)值，然后修改CommTimeouts成員變量的值，最后用SetCommTimeouts設(shè)置新的超時(shí)值。
3．2．2 算法分析
    根據(jù)電梯檢測規(guī)程要求，緩沖器從全壓縮到復(fù)位的時(shí)間應(yīng)不大于120秒。上位機(jī)從上電檢測開始每隔0．1秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)采集命令，并將返回的距離值和開關(guān)量信號存儲(chǔ)于不同的數(shù)組待分析。數(shù)組s(m)和F(n)分別存儲(chǔ)采集到的距離值和開關(guān)信號值(0或1)，t為每次數(shù)據(jù)采集循環(huán)時(shí)間，T為緩沖器回復(fù)時(shí)間。軟件的算法流程圖如5所示：

4 結(jié)束語
    基于ARM技術(shù)和Windows CE系統(tǒng)的電梯緩沖器復(fù)位時(shí)間測試儀功能齊備，精確性高，實(shí)用性強(qiáng)，滿足了新的檢測規(guī)程的要求。本設(shè)計(jì)方案首次實(shí)現(xiàn)了緩沖器復(fù)位過程中瞬時(shí)脫離點(diǎn)的檢測，實(shí)現(xiàn)了各種狀態(tài)時(shí)刻的精確計(jì)時(shí)和狀態(tài)識(shí)別，解決了信號同步，結(jié)果自動(dòng)判斷和輸出等問題。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，必將向著多功能、智能化的方向發(fā)展。