引言

       工程師們在評估某種機(jī)械運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生的毀滅性后果或交通工具帶來的不舒適度時(shí)，加速度是首要考慮的因素。隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加劇，高層和超高層建筑越來越多，高速電梯的使用也更加廣泛。

      電梯在運(yùn)行中，起動(dòng)和制動(dòng)頻繁，加速度的變化非常明顯。此外，電梯經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行后，許多部件容易磨損甚至損壞，如果鉸鏈斷裂，在自由落體的過程中，速度在極短的時(shí)間內(nèi)迅速增大，造成嚴(yán)重后果。因此考慮加速度的變化率（即加加速度）是十分必要的。

       飛思卡爾半導(dǎo)體公司制造的MMA7260Q型3軸小量程加速傳感器的傳感器模塊在三維加速度檢測方面十分出色，因其小巧輕便，將其安裝在電梯轎廂中，可實(shí)時(shí)檢測電梯運(yùn)行的狀況，從而提高電梯的安全性能。

       設(shè)計(jì)概述

       系統(tǒng)概述

       本方案采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC9S08QG8CPBE單片機(jī)和MMA7260Q型3軸小量程加速度傳感器，在自制電梯模型上進(jìn)行仿真試驗(yàn)，使用基于虛擬儀器技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)對電梯轎箱運(yùn)行中的加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

       在監(jiān)控過程中，若有危險(xiǎn)情況出現(xiàn)，即加速度傳感器模塊檢測到的加速度信息超過規(guī)定的范圍，那么單片機(jī)（下位機(jī)）將給出指令信號，使電機(jī)停轉(zhuǎn)、制動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)、蜂鳴器報(bào)警，然后等待危險(xiǎn)解除，再恢復(fù)正常運(yùn)行。

      系統(tǒng)模塊

      主控制模塊：通過MC9S08QG8-CPBE處理加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對電梯實(shí)施控制；

       加速度傳感器模塊：通過MMA7260Q型3軸小量程加速傳感器，將變化的加速度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供單片機(jī)處理；

       通信模塊：通過FTDI公司制造的FT232R作為USB-COM橋接芯片，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信。它是基于FT232R橋接芯片開發(fā)USB/UART接口設(shè)計(jì)的。通用異步收發(fā)器（UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）一直是PC中zui主要的串行通信接口。然而隨著高速通用串行總線（USB）的出現(xiàn)，使得外圍設(shè)備到計(jì)算機(jī)的連接更加、便利，它不僅具有快速、即插即用、支持熱插拔的特性，而且zui高支持連接127個(gè)外部設(shè)備，可以有效地解決PC機(jī)外圍接口不足的問題。但是由于USB規(guī)范對電纜長度的限制是：對于高速設(shè)備、全速設(shè)備之間不超過5米；對于低速設(shè)備則限制為3米（UART組成485網(wǎng)絡(luò)可以傳輸1200米以上）。這限制了USB在長距離工業(yè)數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，所以UART目前還被大量地應(yīng)用在工業(yè)、通信和家電控制等方面。鑒于PC機(jī)USB接口的通用性，以及充分發(fā)揮USB/UART各自接口的優(yōu)勢，我們引入了基于FT232R的USB/UART接口設(shè)計(jì)，降低了常規(guī)USB接口的設(shè)計(jì)難度，加快了系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)程。

       人機(jī)界面監(jiān)控模塊：通過LabVIEW編制應(yīng)用程序采集下位機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯狀況。NI公司的LabVIEW是當(dāng)前流行的圖形化開發(fā)環(huán)境，同時(shí)也是一種功能強(qiáng)大的編程語言（亦被稱為G語言），它是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件，使創(chuàng)建的程序模塊化，易于調(diào)試、理解和維護(hù)，且編程簡單、直觀，因此特別適用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。LabVIEW軟件本身免費(fèi)提供RS232、GPIB、VXI等總線的驅(qū)動(dòng)程序，這大大簡化了計(jì)算機(jī)控制過程中的通信處理工作。單片機(jī)（下位機(jī)）與PC機(jī)（上位機(jī)）通過串口進(jìn)行通信，上位機(jī)采用NI公司的LabVIEW制作監(jiān)控軟件。

        系統(tǒng)框圖

        PC與MCU通信框圖如圖1 所示。
        MCU控制框圖如圖2所示。

        硬件概述

       系統(tǒng)硬件原理圖

        系統(tǒng)硬件主要由四部分組成：微控制器、傳感器、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、電磁抱閘模塊等，其原理圖如圖3。

      單片機(jī)（MC9S08QG8CPBE）簡介

      單片機(jī)采用的是MC9S08QG8CPBE，它是飛思卡爾8位微控制器系列中具有很高集成度的器件。MC9S08QG MCU集成了那些通常只有較大、較昂貴的元器件才具有的性能，包括背景調(diào)試系統(tǒng)以及可進(jìn)行實(shí)時(shí)總線捕捉的內(nèi)置在線仿真（ICE）功能，具有單線的調(diào)試及仿真接口。該產(chǎn)品的特色還包括一個(gè)可編程的16位定時(shí)器/脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊（TPM），是同類產(chǎn)品中zui靈活、的模塊之一。

      加速傳感器簡介

      MMA7260QT低成本微型電容式加速度傳感器采用了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，并且提供4個(gè)量程可選，用戶可在4個(gè)靈敏度中做選擇。該器件帶有低通濾波并已做零g補(bǔ)償。

      MMA7260QT功能：

       可選靈敏度（1.5g/2g/4g/6g）
       低功耗：500μA
       休眠模式：3μA
       低壓運(yùn)行：2.2V~3.6V
       6mm＊6mm＊1.45mm的無引線四方扁平（QFN）封裝
       高靈敏度（800mV/g @ 1.5g） 
       低通濾波器具備內(nèi)部信號調(diào)理 
       設(shè)計(jì)穩(wěn)定、防震能力強(qiáng) 
       電梯動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)及執(zhí)行方式

       本方案中，轎箱的升降動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)提供，電機(jī)型號是42H47412小型步進(jìn)電機(jī)，電源采用12V開關(guān)電源單獨(dú)供電；其驅(qū)動(dòng)芯片型號為TA8453，采用5V電源單獨(dú)供電。單片機(jī)可通過兩個(gè)I/O口方便地控制電機(jī)的運(yùn)行，一個(gè)I/O口發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖信號（脈沖頻率高則電機(jī)速度快，頻率低則慢），一個(gè)I/O口給出高低電平來使電機(jī)正反轉(zhuǎn)（即電梯的上升和下降）；制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一個(gè)電源電壓12V的電磁鐵來完成的。在這里，單片機(jī)必須再定義一個(gè)I/O口，正常情況下其電平信號為低，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)給出高電平，此高電平信號為3.3V，不能直接驅(qū)動(dòng)電磁鐵，方案采用中間繼電器來間接控制電磁鐵的動(dòng)作。電磁鐵安裝在電梯轎箱上，當(dāng)接通電源以后，鐵心彈出，頂在電梯導(dǎo)軌上面，導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)附有皮條，通過摩擦力來達(dá)到制動(dòng)的目的，蜂鳴器為單片機(jī)自帶。

軟件概述 
       固件程序模塊 
       固件程序流程圖，如圖4

       芯片主程序模塊：

       功能描述：

SCI允許在MCU和遠(yuǎn)程設(shè)備（包括其它MCU）之間進(jìn)行全雙工、異步、不歸零串行通信。SCI包含一個(gè)波特率發(fā)生器、一個(gè)發(fā)送器模塊和一個(gè)接收器模塊。SCI共有8個(gè)8位寄存器用于控制波特率、選擇SCI選項(xiàng)、報(bào)告SCI的狀態(tài)和發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。盡管使用的是同一個(gè)波特率發(fā)生器，發(fā)送器和接收器的操作是獨(dú)立完成的。正常操作時(shí)，MCU監(jiān)測SCI的狀態(tài)，寫入被發(fā)送的數(shù)據(jù)并處理接收到的數(shù)據(jù)。

       模塊初始化：

       人機(jī)界面模塊

       前面板功能模塊：

       按鈕控件：正向啟動(dòng)電機(jī)（代號1）、反向啟動(dòng)電機(jī)（代號2）、快速加速（代號3）、快速減速（代號4）、緩慢加速（代號5）、緩慢減速（代號6）、 停止電機(jī)（代號7）、加速度采集（代號8）
       實(shí)時(shí)趨勢圖：實(shí)時(shí)顯示加速度傳感器的采集數(shù)值 
       數(shù)字顯示控件：顯示相關(guān)狀態(tài)（包括工作、報(bào)警等狀態(tài)）
       程序框圖功能模塊： 
       初始化串口通信模塊--如圖6

       接受前面板控制指令

       采用事件結(jié)構(gòu)接收前面板發(fā)送過來的命令，這樣做的好處是當(dāng)前面板沒有命令時(shí)，后臺程序處于等待狀態(tài)，而不是在做while循環(huán)的空轉(zhuǎn)，程序變得簡單，并降低CPU利用率。 
       向串口（通往下位機(jī)）發(fā)送控制指令--對應(yīng)了圖6的''寫事件''
       接收返回的被監(jiān)測數(shù)據(jù) 
       處理數(shù)據(jù)，作出響應(yīng) 

       結(jié)束語

       本系統(tǒng)充分利用CT298和MM2860評估板的功能模塊，實(shí)現(xiàn)了對電梯運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用VISA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的高速通信，為電梯的安全保障提供了一種新的解決方案，在現(xiàn)有的限速保護(hù)基礎(chǔ)上加入本方案，會(huì)使電梯的運(yùn)行更加安全，也會(huì)給乘客帶來更大的舒適感。

基于MMA7260QT三軸加速度傳感器的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)