青岛地铁自动扶梯功能安全系统研究发明之软硬件技术创新

孟宪磊 宗彩乐

随着地铁的发展，各地地铁频繁出现故障问题，本文针对PES SRAE要求，自主设计了一套安全便捷的扶梯系统。根据功能安全的要求，7项功能在事故发生时自动调整至安全状态，此套安全系统同样适用于自动人行道。

1 硬件设计

主驱动轮传感器安装如图1所示，两个传感器A、B安装在带齿轮的码盘上面。其转换电路如图2所示。

图1 主驱动轮传感器安装设计

图2 转换电路

2 自动扶梯功能安全系统软件设计方案

扶梯功能安全系统软件分为三个层次：底层驱动、中间层和应用层。本系统软件设计是基于LPC2368片内资源开发的。本实验需要的设备：舵机MG996R、树莓派控制板、L298N舵机扩展板、PC、USB数据线、树莓派引脚线、16路Arduino Uno舵机控制板、K30直流伺服电机。树莓派使用博通公司的核心芯片[1]。树莓派的控制是该实验的重要环节，要保证实验的正常进行需要对树莓派与舵机之间的关系搞清楚[2]。

在本次实验中，舵机是受树莓派间接受控的。因为在本实验中是通过USB数据线将树莓派与舵机控制板连接，编入程序存储在舵机控制板中，树莓派作为核心控制单元间接控制舵机的动作实现骨架运动。而对于树莓派和16路Arduino Uno舵机控制板的连接存在软件连接和硬件连接两部分，硬件连接如上所述，采用USB数据线直接相连；软件连接是通过特定的程序写入进行存储的。测试的过程是为了检测其准确性。在本次测试过程中，最主要的一步就是树莓派与舵机板的连接，它的连接包括软件连接和硬件连接，软件连接是通过程序配置完成的，相对硬件连接复杂一些，硬件连接主要是通过USB数据线将树莓派与舵机控制板连接起来，相对简单。充电状态：开关S1、S4闭合，S2、S3开路。充电电流从电源Vc通过S1、Cx、S4，到达带有负反馈电阻Rf的运放A0。

在一定程度上，e1和e2可相互抵消，所以输出零位电压很小，使得输出电压V3与被测电容Cx成正比。

本文选用MS3110电容检测芯片结合BH5001集成电路的方案实现电容信号变化的测量。测得的信号（电压信号）经A/D转换模块转换成12位的数字量信号，然后经串口传输至树莓派，树莓派内有特定的串口扫描程序，按设定频率进行采样。MS3110是Irvine Sensor公司生产的具有极低噪声的通用电容检测芯片。它采用CMOS工艺，工作电压为+5V。北京宇翔电子有限公司研制的BH5001是融合了充/放电转换与CMOS开关方波信号控制的集成电路，可以轻松地与电容式触觉传感器连接。本文选用BH5001的另一个优点是，省去了高频激励信号源，由BH5001直接产生10～200kHz的矩形波，通过简单低通滤波便可得到直流输出。

在自动扶梯软件的设计上，自动扶梯采用32位微机监控方式，当扶梯出现故障时，故障显示器应能显示所有扶梯故障信息，直到故障被消除为止，故障信息（至少包括故障名称、发生时间等信息）保存查询30天，不少于200条。正常情况下，能接受BAS系统监视，向BAS系统上传自动扶梯的状态；火灾情况下，能接收FAS发送的火灾信号，并返回信息，自动扶梯具有变频调速的功能，具体要求如下：自动扶梯的节能速度由变频器实现。自动扶梯在一段时间内（时间可调，并在设计联络阶段报买方确认）无乘客后，扶梯能自动转入这种节能速度慢速运行。这种速度应可通过设在扶梯两端的转换开关（两位钥匙开关）方便地切除或联上，该开关的工作寿命不应低于变频器的工作寿命。判断有无乘客的传感器应采用微波光电+对射光电感应开关（两级探测），设置在扶梯上、下水平端，其作用范围应可调。传感器的动作应灵敏，无误动作，若扶梯处于节能速度运行时，当有乘客逆向进入扶梯时扶梯应发出声音报警。应确保节能运行速度与正常运行速度两种速度之间的转换对乘客是安全的。速度转换过程的加速度不应大于0.1m/s2，但总的加速时间不应超过6s，整个速度转换过程应平稳。

3 结语

针对目前市场上的功能安全系统逆转检测安全功能敏感误判，本文设计了一种逆转检测的方法。本文富有创意地将开源硬件树莓派应用于自动扶梯的控制系统，设计了一款可运行完整LINUX系统而且二次开发潜力巨大的扶梯系统，为公司编程和硬件电路的学习提供了一个平台。

具体而言，本文取得了以下创新性成果：设计了扶梯功能安全系统的基本架构，但对于细化量等由于实验条件限制暂未作分析；结合了现代仿生学对扶梯的外形进行了创新设计；本文首次将树莓派应用于扶梯的控制系统，这使所设计可运行完整操作系统，相比传统的采用8位、16位单片机，具有更高的性能和更开放的扩展空间；本文选用了一种鲁棒性控制方法，采用超声波传感器来获取未知环境的信息，用模糊控制的算法来实现避障。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB16899-2011自动扶梯和自动人行道的制造与安装安全规范[S].北京：中国标准出版社，2011.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.TSG T7005-2012电梯监督检验和定期检验规则-自动扶梯与自动人行道[S].北京：中国标准出版社，2012.

[3]陈小平，张晴，石琦.自动扶梯的逆转检测装置及方法：中国，201310086875.3[P].2013-11-08.