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          一種電梯光幕的設(shè)計

          作者:胡志山(偉龍意程智能科技(江蘇)有限公司,江蘇東臺 224200) 時間:2023-03-06 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:針對市場對高性價比的電梯智能光幕的需求,基于對傳統(tǒng)光幕的改進(jìn)設(shè)計,給出了可靠的降本設(shè)計方案。通過對結(jié)構(gòu)和PCBA工藝路線的改進(jìn)設(shè)計,以及對核心電子組件的國產(chǎn)化等途徑實現(xiàn)了綜合降本。運用“時分復(fù)用”機(jī)制實現(xiàn)智能光幕的距離探測,巧妙地實現(xiàn)了燈管復(fù)用技術(shù),降低了硬件成本;運用“多任務(wù)”模式實時更新輸出狀態(tài),有效縮短了輸出響應(yīng)時間;運用獨創(chuàng)的軟件算法實現(xiàn)近距離盲點掃描的不足,改進(jìn)了PCB板安裝布局,消除了近距離平行干擾,有效提高了產(chǎn)品可靠性。

          隨著電梯市場的深度發(fā)展,對的標(biāo)準(zhǔn)不斷提高,而對價格卻提出了進(jìn)一步降本的需求,如何推出高性價比的已成為各廠商的主要議題。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202303/444081.htm

          1   產(chǎn)品簡介

          是電梯的關(guān)門保護(hù)裝置( 參照圖1 ~圖3),可有效實現(xiàn)在未接觸乘員或物體的情況下實現(xiàn)保護(hù)動作。光幕由發(fā)射單元和接收單元組成,根據(jù)是否帶安全觸板安裝結(jié)構(gòu)分為二合一光幕和純光幕兩類[1]

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          圖1 電梯轎層門

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          圖2 光幕安裝位置

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          圖3 光幕光柵掃描機(jī)制

          1.1 需求信息

          目前正朝著具備成本優(yōu)勢的前提下滿足高可靠性、安裝便捷化、應(yīng)用智能化的方向發(fā)展,一句話:市場需要高性價比的光幕產(chǎn)品,成本控制在180 元以內(nèi)。

          1.2 設(shè)計依據(jù)

          設(shè)計依據(jù)執(zhí)行GB/T7588.1—2021及電梯應(yīng)用需求。[2]按照以上要求,充分運用多年技術(shù)沉淀和產(chǎn)品經(jīng)驗實施升級設(shè)計。

          2   整體設(shè)計

          2.1 整體設(shè)計效果圖

          根據(jù)應(yīng)用需求,將光幕是否帶連接安全觸板的安裝結(jié)構(gòu)分為二合一光幕和純光幕兩類。

          1)二合一光幕

          圖4為二合一光幕整體設(shè)計效果圖,圖5為截面示意圖。

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          圖4 二合一光幕整體設(shè)計效果圖

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          圖5 二合一光幕截面示意圖

          2)純光幕

          圖6 為純光幕整體設(shè)計效果圖,圖7 為截面示意圖。

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          圖6 純光幕整體設(shè)計效果圖

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          圖7 純光幕截面示意圖

          2.2 產(chǎn)品架構(gòu)

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          圖8 產(chǎn)品架構(gòu)圖

          2.3 程序流程

          1)發(fā)射單元程序流程

          發(fā)射單元主要程序流程如圖9 所示。

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          2)接收單元程序流程

          接收單元程序流程如圖10 所示。

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          圖10 接收單元程序流程圖

          3 設(shè)計特征介紹

          3.1 外形結(jié)構(gòu)

          3.1.1 安裝結(jié)構(gòu)

          1)二合一光幕

          ①將圖11 所示原二合一光幕結(jié)構(gòu)中,用于安裝觸板的尾部長度由17 mm 縮短至7 mm,便于觸板螺栓的安裝與拆卸同時減小了產(chǎn)品體積,改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖12 所示。改進(jìn)前后觸板固定螺栓如圖13 所示,改進(jìn)前螺帽位于型材內(nèi)部深度7.3 mm,改進(jìn)后螺帽超出型材2.7 mm,這樣大大方便了該螺帽的緊固。

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          圖11 原二合一光幕結(jié)構(gòu)

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          圖12 改進(jìn)后的二合一光幕結(jié)構(gòu)

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          圖13 改進(jìn)前后螺栓安裝對比圖

          ②鋁型材內(nèi)部設(shè)計型腔,增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

          ③殼體內(nèi)部PCB 板安裝布局方式改進(jìn)為側(cè)面相對,即與濾光條垂直布局,見圖15 所示。這樣布局能夠有效消除(圖14 中)PCB 板與濾光條平行布局時近距離電磁干擾問題,即當(dāng)光幕收發(fā)單元靠近時,發(fā)射單元的PCB 板和接收單元的PCB 板相互平行貼近,導(dǎo)致線路和元件、尤其是發(fā)射驅(qū)動脈沖與接收放大電路之間的干擾強(qiáng)度接近有用信號強(qiáng)度,致使產(chǎn)品可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的工作狀況。[3]

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          圖14 元件面相對布局方式

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          圖15 元件面同方向,PCB側(cè)面相對布局方式

          2)純光幕

          原螺栓安裝板由1.5 mm 厚度的邊條(見圖16),改進(jìn)為型腔結(jié)構(gòu)(見圖17),增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,使其在安裝時,不會因螺栓鎖緊力過大而造成邊條彎曲引起安裝誤差;設(shè)置沉孔內(nèi)置螺帽,使產(chǎn)品裝梯后整體穩(wěn)定美觀。內(nèi)部PCB 板安裝布局方式改進(jìn)為側(cè)面相對,同二合一光幕。

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          圖16 原純光幕結(jié)構(gòu)

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          圖17 改進(jìn)后純光幕結(jié)構(gòu)

          3.1.2 二合一光幕濾光條組件

          將整體式濾光條(見圖11)更改為嵌入式(見圖12)。

          1)結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便,有效降低產(chǎn)品成本。

          2)去掉整體式濾光條后,PCB 板可以與鋁型材設(shè)置接地連接點,使光幕擁有更強(qiáng)的抗干擾能力。

          3)不再需要通過鑄鋁轉(zhuǎn)接板來實現(xiàn)PCB 與鋁型材的接地連接,即減少了該鑄鋁轉(zhuǎn)接板的成本消耗,見圖18。

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          3.2 PCB組件

          1)全SMT 設(shè)計

          如圖19 所示,將傳統(tǒng)的燈管、板對板對插連接器等全部改進(jìn)為貼片封裝,實現(xiàn)整板全SMT 工藝,有效的減少了人工提高了產(chǎn)能,自動化工藝的批量運用,使品質(zhì)一致性得到了進(jìn)一步的提升。

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          圖19 新老PCB布局對比圖

          2)光眼布局與數(shù)量設(shè)置

          如圖20 所示,36 對光眼采用等間距局,排列方式簡單,便于批量生產(chǎn)工藝的實現(xiàn)。

          燈管數(shù)量設(shè)置既要符合標(biāo)準(zhǔn)要求又要兼顧成本優(yōu)勢和實用性,根據(jù)GB/T7588.1—2021 相關(guān)要求,光幕保護(hù)范圍至少覆蓋門坎以上(25~1 600)mm 的區(qū)域,這個區(qū)域其實也是一個有實用價值的區(qū)間。又因為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小遮擋物的最大直徑為50 mm,所以光眼間距不能大于50 mm。經(jīng)過大量實驗證明,要確保測試緩慢移動50 mm 遮擋物(移動速度(3~5)mm/s)沒有盲點,光眼間距設(shè)置在46 mm 較為合適。實際布局時,最下面的燈管幾乎在線路板的板邊,所以燈管數(shù)量估算為1 600/46 = 34.78,即35 對燈管,為留有裕量不讓參數(shù)徘徊在標(biāo)準(zhǔn)線上,將燈管設(shè)置為36 對,這樣既符合標(biāo)準(zhǔn)要求,也適應(yīng)市場降本需要。相反,因產(chǎn)品內(nèi)部有信號放大電路,若燈管設(shè)置數(shù)量過多,對產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性也可能帶來隱患。

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          圖20 光眼等距布局示意圖

          3)芯片國產(chǎn)化

          芯片是光幕的核心部件,一直以來光幕多采用美國微芯公司的微處理器(MCU),近幾年由于疫情及美國芯片封鎖政策的影響,芯片價格高交期慢已成為國內(nèi)制造廠商不可忽視的問題,最終必然會波及產(chǎn)品交期、成本和品質(zhì)。本方案選用國產(chǎn)芯片取代進(jìn)口芯片,芯片價格低、質(zhì)量穩(wěn)定且交期短,是光幕批量生產(chǎn)及穩(wěn)定投放市場的重要保障。

          4)抗干擾設(shè)計

          在光幕主板上設(shè)置RLC 抑制電路,供電電路中設(shè)置共模、差模抑制電路,端口及關(guān)鍵點設(shè)置TVS、VDR、PTC 等瞬時脈沖吸收電路,優(yōu)化設(shè)計供電層和接地層,綜合提升光幕的抗干擾能力。

          3.3 代碼

          1)光電采集方式

          光電采集分電平采集和AD 采集兩種方式,電平采集雖然速度快,但是只能判斷高低兩種電平狀態(tài),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TTL 電平定義,輸入電平≥ 2 V 方能判為高電平。而AD 采集可以精確判斷每個光電管輸出的電壓值,并且每個信號可連續(xù)采集13 次,足夠光幕進(jìn)行穩(wěn)定判斷處理。

          相比而言,電平采集方式有時候就容易出現(xiàn)誤判的情形。例如,使用50 mm 最小遮擋物進(jìn)行遮擋時,捕捉到圖21 所示波形,紅色箭頭所指脈沖系被遮擋后的狀態(tài),此時其最高電平約為2.15 V,因其最高電壓大于2 V,運用電平采集法則判斷為信號檢測正常而導(dǎo)致光幕輸出無遮擋狀態(tài),與實際情況不符。如果運用AD 采集法時,設(shè)置相對閾值為2.5 V,經(jīng)多次采集信號均低于2.5 V,即接收不到信號,判定為遮擋狀態(tài),與實際情況相一致。

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          圖21 50 mm最小遮擋物遮擋脈沖

          2)盲點算法

          光幕收發(fā)單元距離較近時,采用交叉光束取代平行光束掃描算法,確保光幕探測精度,平行光束掃描方式如圖22 所示,運用50 mm 最小遮擋物遮擋時,由于近距離光強(qiáng)度高以及遮擋物邊界折射等原因,接收到的信號衰弱不明顯,尤其在慢速遮擋測試時(移動速度(3~5)mm/s)出現(xiàn)盲點的概率較高。交叉光束掃描方式如圖23 所示,運用上下兩束交叉光束進(jìn)行掃描檢測,再運用算法進(jìn)行綜合判斷,這樣能夠顯著分辨出遮擋信號,更穩(wěn)定地識別遮擋。

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          圖22 平行光束掃描算法

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          圖23 交叉光束掃描算法

          3)距離探測設(shè)計

          獨創(chuàng)“時分復(fù)用”的距離探測模式,運用36 對光眼中的幾對光眼在掃描周期內(nèi)進(jìn)行時分復(fù)用,基于自創(chuàng)專用多任務(wù)系統(tǒng)算法,每40 ms 刷新1 次距離標(biāo)志,即實時更新距離信息。傳統(tǒng)光幕通常會在收發(fā)單元上單設(shè)幾對專用距離傳感器電路用于距離探測,得益于“時分復(fù)用”技術(shù)的應(yīng)用可以有效簡化硬件電路,提高整機(jī)穩(wěn)定性,節(jié)省成本。

          4)多任務(wù)機(jī)制

          光幕接收單元代碼主要由端口處理(包括同步檢測、CHECK 檢測等)、光束掃描、信號處理、輸出和指示處理、任務(wù)算法及異常處理等6 個模塊構(gòu)成。使用自主開發(fā)專用多任務(wù)系統(tǒng),主要分4 個任務(wù)運行,包括同步檢測、光束掃描和信號處理,CHECK 端口檢測,開關(guān)門檢測,輸出和指示處理(光幕狀態(tài))。當(dāng)CHECK 端口檢測到模式切換信號后,判斷處理后選擇A/B 模式。當(dāng)光幕開關(guān)門時,判斷處理輸出I 型/II 型脈沖,當(dāng)光幕狀態(tài)變化時通過輸出和指示處理任務(wù)模塊刷新輸出以及LED 指示燈顏色。多任務(wù)主體分布如圖24 所示。

          得益于運用以上多任務(wù)機(jī)制,光幕的輸出響應(yīng)時間可以有效減少到20 ms 級別,可以完美展現(xiàn)“遮擋即所得”的實時效果。

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          圖24 多任務(wù)分配


          5)抗干擾設(shè)計

          同步信號線連接于光幕的發(fā)射單元和接收單元之間,穩(wěn)定可靠的同步信號是光幕正常工作的前提條件。當(dāng)光幕面臨復(fù)雜電磁環(huán)境時,同步信號線難免會受干擾信號影響,同步信號一旦被干擾,則會影響光幕的輸出狀態(tài),導(dǎo)致工作異常。對同步信號進(jìn)行特征識別以及干擾抓取處理,可有效屏蔽干擾脈沖,大幅提高光幕的可靠性??垢蓴_處理機(jī)制如圖25 所示。

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          圖25 抗干擾處理機(jī)制

          4   結(jié)束語

          技術(shù)方案從總體設(shè)計到各模塊設(shè)計均緊密融合了可靠性原則[4],在此基礎(chǔ)上運用結(jié)構(gòu)、工藝、軟件、硬件技術(shù)解決了降本需求。設(shè)計中吸取了過去的產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)驗,規(guī)避了一些問題點。近距離時,發(fā)射和接收單元的PCB 板正面(元件面)平行會出現(xiàn)相互干擾的問題,本版采用PCB 板側(cè)面相對的布局方式,以可靠消除相互干擾;光幕中均設(shè)置了可靠的接地連接點位,PCB 板均通過先進(jìn)的EDA 仿真軟件優(yōu)化了電源層和接地層的布局,完美適配了電磁兼容性;PCB 設(shè)計中充分平衡了成本與可靠性,實現(xiàn)超高性價比的效果,這種設(shè)計思想充分體現(xiàn)在光眼數(shù)量設(shè)置、SMT 工藝、各種抗干擾抑制電路等具體模塊的設(shè)計中;采用自主設(shè)計的光幕專用“多任務(wù)”系統(tǒng),有效縮短產(chǎn)品輸出響應(yīng)時間;獨創(chuàng)近距離交叉光束盲點算法,在用50 mm 最小遮擋物進(jìn)行慢速測試時(移動速度(3~5)mm/s),此種光幕能夠顯現(xiàn)出更優(yōu)秀的盲點探測性能;軟件設(shè)計中運用了同步信號干擾屏蔽算法,能夠在部分復(fù)雜電磁環(huán)境下屏蔽脈沖干擾。

          參考文獻(xiàn):

          [1] 胡志山.電梯基本原理[J].電子產(chǎn)品世界,2022(11):43-47.

          [2] GB/T7588.1-2020電梯制造與安裝安全規(guī)范第1部分:乘客電梯和載貨電梯[S].

          [3] 胡志山.射頻印刷電感替代空心電感的探索[J].電子產(chǎn)品世界,2015(1):54-56.

          [4] 胡志山.電子產(chǎn)品壽命模擬中MTTF系統(tǒng)測算法[J].電子產(chǎn)品世界,2021(3):53-56.

          (本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期)

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