潘文誠，沈永福

(1.浙江科技學(xué)院 自動化與電氣工程學(xué)院，杭州 310023；2.蘇州康開電氣有限公司，江蘇 吳江 215200）

基于滑動載波方式的電梯轎廂信息傳輸裝置

潘文誠1，沈永福2

(1.浙江科技學(xué)院 自動化與電氣工程學(xué)院，杭州 310023；2.蘇州康開電氣有限公司，江蘇 吳江 215200）

研制的基于滑動載波方式的電梯轎廂信息傳輸裝置，采用磁耦合原理實(shí)現(xiàn)了電梯控制信息的非接觸式傳輸，避免了傳統(tǒng)方式中轎廂的隨行電纜易疲勞破損的弊病?；瑒虞d波裝置的調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)采用高集成度載波通信芯片ST7540完成載波信息的收發(fā)，裝置的總線接口采用集成模塊實(shí)現(xiàn)CAN-bus網(wǎng)絡(luò)和UART設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，磁耦合器的設(shè)計(jì)考慮了最佳功率傳輸。該裝置具有零誤碼率的傳輸可靠性，對外無電波干擾的電磁兼容性，既能滿足新裝電梯的設(shè)計(jì)要求又方便對已安裝的傳統(tǒng)隨行電纜通信方式進(jìn)行升級改造等優(yōu)點(diǎn)。

轎廂信息傳輸；滑動載波通信；ST7540；CAN-UART轉(zhuǎn)換；磁耦合器

電梯轎廂的電能和信息傳輸，傳統(tǒng)的方式是通過懸掛式隨行電纜進(jìn)行的，其缺點(diǎn)十分明顯：隨轎廂運(yùn)動的懸掛式隨行電纜，天長日久會老化破損形成事故隱患；如果是景觀電梯，暴露的懸掛式隨行電纜在一定程度上也有損美觀。針對這些弊病，國內(nèi)外業(yè)界提出了對電梯轎廂電能和信息的非接觸式傳輸方式。電能的非接觸傳輸有導(dǎo)軌式［1］、按樓層電站式［2］等，有的已有效地運(yùn)行多年，如德國漢諾威2000年世博會的標(biāo)志性建筑Hermes Tower觀光電梯［3］。信息的非接觸傳輸方式有無線電波式［4-5］、無線網(wǎng)絡(luò)式［6］等。轎廂信息的非接觸傳輸要解決的關(guān)鍵問題是傳輸介質(zhì)的選擇和傳輸方式的安全可靠、簡易有效。本研究探討并研制了一種基于滑動載波方式的電梯轎廂非接觸式信息傳輸裝置，相對于無線傳輸方式，滑動載波方式在電磁兼容性方面能給人以更多的信心與放心。

1 整機(jī)原理

圖1是轎廂在電梯井道中運(yùn)行時采用滑動載波方式進(jìn)行信息傳輸?shù)氖疽鈭D［7］。該方式摒棄了作為通信傳輸介質(zhì)的懸掛式隨行電纜，采用磁耦合滑動載波進(jìn)行信息傳輸。提出的具體方案是：該裝置由2組磁耦合器(10a）和(10b）、2個通信盒(7a）和(7b），以及1個滑動載波器(9）組成；在轎廂上固定安裝一組磁耦合器(10b）和一個通信盒(7b），井道的一端固定安裝另一組磁耦合器(10a）和另一個通信盒(7a）；兩處通信盒各自的載波耦合接口分別連接到各處的磁耦合器的次級繞組，兩處通信盒各自的總線通信接口分別連接電梯主控系統(tǒng)和轎廂內(nèi)操作器的總線通信接口(8a）和(8b）；沿電梯井道垂直安裝的滑動載波器(9）的金屬導(dǎo)線穿過兩處的磁耦合器作為它們的單匝初級繞組，在其閉合處串入電容器(11）。由此，該裝置用非接觸的方式連通了電梯主控系統(tǒng)和轎廂內(nèi)操作器之間的現(xiàn)場總線，當(dāng)轎廂(2）升降運(yùn)動時，固定安裝于轎廂上的那組磁耦合器在滑動載波器的金屬導(dǎo)線上滑動，通過非接觸而磁耦合的方式傳輸信息。

圖1 電梯轎廂滑動載波方式信息傳輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of elevator car information transmission by utilizing sliding carrier wave

2 通信盒設(shè)計(jì)

電梯控制系統(tǒng)是一個基于現(xiàn)場總線的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，轎廂內(nèi)控制信息的無接觸式傳輸，是通過磁耦合滑動載波方式無線透明傳輸?shù)模喈?dāng)于在轎廂與控制柜的現(xiàn)場總線間加入了透明傳輸中繼。裝置中的通信盒就是這個傳輸中繼的通信節(jié)點(diǎn)，它具有載波耦合、總線通信2個對外的接口。圖2是形成通信盒的各功能環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)框圖。圖中載波耦合接口對外連接裝置的磁耦合器的次級繞組，傳送和接收已被調(diào)制的信號?？偩€通信接口是對外連接現(xiàn)場總線、傳送和接收相應(yīng)的電梯操作信號的接口，這里所指的現(xiàn)場總線是電梯主控制器用于電梯系統(tǒng)內(nèi)的通信接口標(biāo)準(zhǔn)(可以是RS232，RS485，CAN等）。調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)用于非接觸通信的信號調(diào)制工作。微處理器的作用是協(xié)調(diào)信號的接受和發(fā)送，以及控制調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)對總線信號的調(diào)制和高頻載波信號的解調(diào)。

圖2 通信盒各功能環(huán)節(jié)Fig.2 Function nodes of communication case

2.1 調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)的電原理圖如圖3所示，其核心部件是采用FSK頻移鍵控調(diào)制技術(shù)的高集成度載波通信芯片ST7540［8］，芯片內(nèi)部集成了發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的所有功能，只要通過耦合元件、濾波元件等少量外部器件即可連接到通信網(wǎng)中。載波頻率、波特率等通信參數(shù)是微處理器通過串行口RXD，TXD對ST7540的控制寄存器進(jìn)行寫操作來設(shè)置的。

圖3 調(diào)制解調(diào)環(huán)節(jié)原理圖Fig.3 Schematic diagram of modem node

系統(tǒng)磁耦合器的次級繞組接收到的載波信號由J3輸入，通過一個無源濾波電路再經(jīng)電容C27連接到ST7540的RX_IN引腳，該無源濾波電路由電阻R17串聯(lián)一個由電感L2和電容C26并聯(lián)組成的諧振電路構(gòu)成，信號被ST7540解調(diào)后經(jīng)RXD引腳送入微處理器的串行口。由此形成載波耦合環(huán)節(jié)的接收回路。

ST7540內(nèi)部集成有功率放大器PA(引腳PA_OUT是它的輸出端，PA_IN+和PA_IN-分別為它的同向輸入端和反向輸入端），它與外部阻容器件一起構(gòu)成了一個三階有源濾波電路(電阻R19和電容C32組成一階低通濾波器，電阻R9、R10和電容C21、C33與PA組成Sallen Key二階有源低通濾波器），F(xiàn)SK調(diào)制后的載波信號從器件的TX_OUT腳輸出，經(jīng)由這個三階有源濾波電路再通過J3接到磁耦合器的次級繞組。由此形成載波耦合環(huán)節(jié)的發(fā)送回路。

2.2 總線通信接口環(huán)節(jié)

電梯控制系統(tǒng)經(jīng)過了繼電-接觸器階段、PLC階段，現(xiàn)今已普遍進(jìn)入現(xiàn)場總線階段。CAN總線近年來得到了廣泛的應(yīng)用，被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一，其高效且簡單的通信方式能滿足電梯控制系統(tǒng)通信的需要?；诨瑒虞d波方式的電梯轎廂信息傳輸裝置設(shè)計(jì)是針對CAN總線平臺進(jìn)行研發(fā)的。

圖4所示是用于CAN總線信號轉(zhuǎn)換的通信接口的工作示意圖。圖中U6是集微處理器、DC-DC轉(zhuǎn)換、CAN-bus收發(fā)器、CAN-bus控制器、高速光電隔離于一體的嵌入式UART轉(zhuǎn)CAN模塊。該模塊可以很方便地嵌入到具有UART接口的設(shè)備中，在不需改變原有硬件結(jié)構(gòu)的前提下使設(shè)備獲得CAN-bus通信接口，實(shí)現(xiàn)CAN-bus網(wǎng)絡(luò)和UART設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。樣機(jī)試驗(yàn)中，模塊采用50 kb/s波特率、標(biāo)準(zhǔn)幀格式。U1是通信盒中的微處理器，具有雙UART串口，串口1與CAN模塊交換數(shù)據(jù)，串口2與ST7540交換數(shù)據(jù)，U1的作用是協(xié)調(diào)總線通信接口信號的接受和發(fā)送。

圖4 CAN總線通信接口Fig.4 CAN bus communication interface

3 磁耦合器設(shè)計(jì)

圖5是磁耦合器在井道中安裝的照片。磁耦合器是一個具有初級繞組和次級繞組的高導(dǎo)磁率磁環(huán)［9］。初級繞組由滑動載波器構(gòu)成：一根垂直安裝在電梯井道中的鋼絲繩，在通信兩端的磁耦合器的磁環(huán)中穿心而過，兩頭用緊固器拉緊后再用導(dǎo)線短接形成閉合回路，為平衡阻抗，可在閉合處串接一個合適的電容器。次級繞組是用多股銅導(dǎo)線纏繞在磁環(huán)上構(gòu)成，多股導(dǎo)線的選用，減小了由高頻電流帶來的集膚效應(yīng)。

為實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，必須考慮磁耦合器初級與滑動載波器之間的阻抗匹配。如選擇載波頻率在60～132.5 k Hz的頻帶范圍，也就是說以此作為通信接口電路的中心頻率，一方面，要滿足載波發(fā)射高阻抗的要求，提高載波的加載效率；另一方面，在滿足信號耦合性能的同時，也要兼顧對頻率選擇性的要求，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。經(jīng)實(shí)測和分析，10～100 m的電梯井道如安裝滑動載波器，其阻抗一般在2～15Ω之間，在電路的具體安裝和調(diào)試過程中，通過調(diào)節(jié)磁耦合器次級繞組的匝數(shù)來調(diào)節(jié)電感量，通過選擇串接在滑動載波器中的電容值來調(diào)節(jié)線路阻抗，使輸入輸出的阻抗達(dá)到最佳匹配。為實(shí)時調(diào)試時對磁耦合器初級繞組的匝數(shù)方便選擇，可以看到圖5照片中安裝支架上并排安裝了4個初級匝數(shù)不同的磁耦合器。

圖5 磁耦合器的安裝照片F(xiàn)ig.5 Photo of magnetic couplers installed

4 結(jié) 語

研制的電梯轎廂信息傳輸裝置摒棄了傳統(tǒng)的作為通信傳輸介質(zhì)的懸掛式隨行電纜，采用磁耦合滑動載波的方式進(jìn)行信息傳輸，轎廂升降運(yùn)動時，固定安裝于轎廂上的那組磁耦合器在被稱為滑動載波器的金屬導(dǎo)線上滑動，通過非接觸方式傳輸了電梯主機(jī)與轎廂之間的控制信息。經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)證明，這個插入的非接觸傳輸環(huán)節(jié)，在微處理器的控制下，具有準(zhǔn)雙工、移動、低功耗、透明傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。并且，裝置還具有保證傳輸可靠性的零誤碼率、令人放心的電磁兼容性、既能滿足新裝電梯的設(shè)計(jì)要求又方便對已安裝的傳統(tǒng)懸掛式電纜的通信方式進(jìn)行升級改造等優(yōu)點(diǎn)。

［1］ 東芝電梯株式會社.對電梯轎廂的非接觸式饋電裝置：中國，CN 101145702A［P］.2008-03-19.

［2］ 潘文誠，沈永福.電梯轎廂按樓層非接觸式供電裝置：中國，CN201010125650［P］.2010-03-16.

［3］ 朱軍峰.非接觸電能傳輸系統(tǒng)拾取技術(shù)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2008.

［4］ 伊新.基于GPRS的電梯在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013，3(3）：40-41，44.

［5］ 劉鎮(zhèn).一種基于無線通信電梯監(jiān)控系統(tǒng)軟件研究與開發(fā)［D］.重慶：重慶大學(xué).2011.

［6］ 張俊，趙國軍，魏君燕，等.ZigBee無線通信在電梯轎廂控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程，2013，30(11）：1373-1378.

［7］ 潘文誠.一種電梯轎廂非接觸式信息傳輸裝置：中國，CN201110244538.3［P］.2011-08-23.

［8］ ST Inc.ST7540 Datasheet［DB/OL］.hppt：∥www.icpdf.com/STMICROELECTRONICS_datasheet/ST7540_pdf_5535751/.

［9］ 李建岐，李祥珍.配電網(wǎng)載波通信耦合方式的探討［J］.電力系統(tǒng)通信，2007，28(4）：34-38，50.

Elevator car information transmission device by utilizing sliding carrier wave

PAN Wencheng1，SHEN Yongfu2
(1.School of Automation and Electrical Engineering，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China；2.Suzhou Kangkai Electric Co.Ltd，Wujiang 215200，China）

Elevator car information transmission device is demonstrated by utilizing the sliding carrier wave.This device has realized non-contact elevator control information transmission by taking advantages of magnetic coupling technique，which can notably reduce the wear and tear of the accompanying electric cable of traditional elevator cars.The modem module of the device utilizes a highly integrated carrier communication chip ST7540 as a transceiver of the carrier wave and the bus interface uses an integrated module to realize the data communication between the CAN bus network and the UART devices.The optimal power transmission is considered in the design of the magnetic coupler.Also，the device has the transmission reliability of zero error rate，electromagnetic compatibility of ambient radio interference rejection，and the benefit of both meeting the design criteria of new elevator and the convenience for the modification orupgrading of the communication mode of existing traditional electric cable.

elevator car information transmission；sliding carrier wave communication；ST7540；CAN-UART conversion；magnetic coupler

TP273；TU857

A

1671-8798(2014）05-0345-04

10.3969/j.issn.1671-8798.2014.05.005

2014-05-25

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2011C21044）

潘文誠(1952― ），男，江蘇省寶應(yīng)人，教授，主要從事測控技術(shù)與儀器、電力電子技術(shù)研究。