一種電梯光幕的設計

隨著(zhù)電梯市場(chǎng)的深度發(fā)展，對電梯光幕的標準不斷提高，而對價(jià)格卻提出了進(jìn)一步降本的需求，如何推出高性?xún)r(jià)比的智能光幕已成為各廠(chǎng)商的主要議題。

1   產(chǎn)品簡(jiǎn)介

電梯光幕是電梯的關(guān)門(mén)保護裝置( 參照圖1 ～圖3),可有效實(shí)現在未接觸乘員或物體的情況下實(shí)現保護動(dòng)作。光幕由發(fā)射單元和接收單元組成，根據是否帶安全觸板安裝結構分為二合一光幕和純光幕兩類(lèi)^[1]。

圖1 電梯轎層門(mén)

圖2 光幕安裝位置

圖3 光幕光柵掃描機制

1.1 需求信息

目前電梯光幕正朝著(zhù)具備成本優(yōu)勢的前提下滿(mǎn)足高可靠性、安裝便捷化、應用智能化的方向發(fā)展，一句話(huà)：市場(chǎng)需要高性?xún)r(jià)比的光幕產(chǎn)品，成本控制在180 元以?xún)取?/p>

1.2 設計依據

設計依據執行GB/T7588.1—2021及電梯應用需求。^[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(shí)施升級設計。

2   整體設計

2.1 整體設計效果圖

根據應用需求，將光幕是否帶連接安全觸板的安裝結構分為二合一光幕和純光幕兩類(lèi)。

1）二合一光幕

圖4為二合一光幕整體設計效果圖，圖5為截面示意圖。

圖4 二合一光幕整體設計效果圖

圖5 二合一光幕截面示意圖

2）純光幕

圖6 為純光幕整體設計效果圖，圖7 為截面示意圖。

圖6 純光幕整體設計效果圖

圖7 純光幕截面示意圖

2.2 產(chǎn)品架構

圖8 產(chǎn)品架構圖

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。

2）接收單元程序流程

接收單元程序流程如圖10 所示。

圖10 接收單元程序流程圖

3 設計特征介紹

3.1 外形結構

3.1.1 安裝結構

1）二合一光幕

①將圖11 所示原二合一光幕結構中，用于安裝觸板的尾部長(cháng)度由17 mm 縮短至7 mm，便于觸板螺栓的安裝與拆卸同時(shí)減小了產(chǎn)品體積，改進(jìn)后的結構如圖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。

圖11 原二合一光幕結構

圖12 改進(jìn)后的二合一光幕結構

圖13 改進(jìn)前后螺栓安裝對比圖

②鋁型材內部設計型腔，增加了結構強度。

③殼體內部PCB 板安裝布局方式改進(jìn)為側面相對，即與濾光條垂直布局，見(jiàn)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(shí)近距離電磁干擾問(wèn)題，即當光幕收發(fā)單元靠近時(shí)，發(fā)射單元的PCB 板和接收單元的PCB 板相互平行貼近，導致線(xiàn)路和元件、尤其是發(fā)射驅動(dòng)脈沖與接收放大電路之間的干擾強度接近有用信號強度，致使產(chǎn)品可能出現不穩定的工作狀況。^[3]

圖14 元件面相對布局方式

圖15 元件面同方向，PCB側面相對布局方式

2）純光幕

原螺栓安裝板由1.5 mm 厚度的邊條（見(jiàn)圖16），改進(jìn)為型腔結構（見(jiàn)圖17），增加了結構強度，使其在安裝時(shí)，不會(huì )因螺栓鎖緊力過(guò)大而造成邊條彎曲引起安裝誤差；設置沉孔內置螺帽，使產(chǎn)品裝梯后整體穩定美觀(guān)。內部PCB 板安裝布局方式改進(jìn)為側面相對，同二合一光幕。

圖16 原純光幕結構

圖17 改進(jìn)后純光幕結構

3.1.2 二合一光幕濾光條組件

將整體式濾光條（見(jiàn)圖11）更改為嵌入式（見(jiàn)圖12）。

1）結構簡(jiǎn)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 板可以與鋁型材設置接地連接點(diǎn)，使光幕擁有更強的抗干擾能力。

3）不再需要通過(guò)鑄鋁轉接板來(lái)實(shí)現PCB 與鋁型材的接地連接，即減少了該鑄鋁轉接板的成本消耗，見(jiàn)圖18。

3.2 PCB組件

1）全SMT 設計

如圖19 所示，將傳統的燈管、板對板對插連接器等全部改進(jìn)為貼片封裝，實(shí)現整板全SMT 工藝，有效的減少了人工提高了產(chǎn)能，自動(dòng)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。

圖19 新老PCB布局對比圖

2）光眼布局與數量設置

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

燈管數量設置既要符合標準要求又要兼顧成本優(yōu)勢和實(shí)用性，根據GB/T7588.1—2021 相關(guān)要求，光幕保護范圍至少覆蓋門(mén)坎以上（25~1 600）mm 的區域，這個(gè)區域其實(shí)也是一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的區間。又因為標準規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(guò)大量實(shí)驗證明，要確保測試緩慢移動(dòng)50 mm 遮擋物（移動(dòng)速度（3~5）mm/s）沒(méi)有盲點(diǎn)，光眼間距設置在46 mm 較為合適。實(shí)際布局時(shí)，最下面的燈管幾乎在線(xiàn)路板的板邊，所以燈管數量估算為1 600/46 = 34.78，即35 對燈管，為留有裕量不讓參數徘徊在標準線(xiàn)上，將燈管設置為36 對，這樣既符合標準要求，也適應市場(chǎng)降本需要。相反，因產(chǎn)品內部有信號放大電路，若燈管設置數量過(guò)多，對產(chǎn)品的穩定性和可靠性也可能帶來(lái)隱患。

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(lái)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(jià)格高交期慢已成為國內制造廠(chǎng)商不可忽視的問(wèn)題，最終必然會(huì )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(jià)格低、質(zhì)量穩定且交期短，是光幕批量生產(chǎn)及穩定投放市場(chǎng)的重要保障。

4）抗干擾設計

在光幕主板上設置RLC 抑制電路，供電電路中設置共模、差模抑制電路，端口及關(guān)鍵點(diǎn)設置TVS、VDR、PTC 等瞬時(shí)脈沖吸收電路，優(yōu)化設計供電層和接地層，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)，根據標準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(gè)光電管輸出的電壓值，并且每個(gè)信號可連續采集13 次，足夠光幕進(jìn)行穩定判斷處理。

相比而言，電平采集方式有時(shí)候就容易出現誤判的情形。例如，使用50 mm 最小遮擋物進(jìn)行遮擋時(shí)，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(shí)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致光幕輸出無(wú)遮擋狀態(tài)，與實(shí)際情況不符。如果運用AD 采集法時(shí)，設置相對閾值為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(shí)際情況相一致。

圖21 50 mm最小遮擋物遮擋脈沖

2）盲點(diǎn)算法

光幕收發(fā)單元距離較近時(shí)，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(shí)，由于近距離光強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(shí)（移動(dòng)速度（3~5）mm/s）出現盲點(diǎn)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(zhù)分辨出遮擋信號，更穩定地識別遮擋。

圖22 平行光束掃描算法

圖23 交叉光束掃描算法

3）距離探測設計

獨創(chuàng )“時(shí)分復用”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進(jìn)行時(shí)分復用，基于自創(chuàng )專(zhuān)用多任務(wù)系統算法，每40 ms 刷新1 次距離標志，即實(shí)時(shí)更新距離信息。傳統光幕通常會(huì )在收發(fā)單元上單設幾對專(zhuān)用距離傳感器電路用于距離探測，得益于“時(shí)分復用”技術(shù)的應用可以有效簡(jiǎn)化硬件電路，提高整機穩定性，節省成本。

4）多任務(wù)機制

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(gè)模塊構成。使用自主開(kāi)發(fā)專(zhuān)用多任務(wù)系統，主要分4 個(gè)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(kāi)關(guān)門(mén)檢測，輸出和指示處理（光幕狀態(tài)）。當CHECK 端口檢測到模式切換信號后，判斷處理后選擇A/B 模式。當光幕開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)，判斷處理輸出I 型/II 型脈沖，當光幕狀態(tài)變化時(shí)通過(guò)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)機制，光幕的輸出響應時(shí)間可以有效減少到20 ms 級別，可以完美展現“遮擋即所得”的實(shí)時(shí)效果。

圖24 多任務(wù)分配

5）抗干擾設計

同步信號線(xiàn)連接于光幕的發(fā)射單元和接收單元之間，穩定可靠的同步信號是光幕正常工作的前提條件。當光幕面臨復雜電磁環(huán)境時(shí)，同步信號線(xiàn)難免會(huì )受干擾信號影響，同步信號一旦被干擾，則會(huì )影響光幕的輸出狀態(tài)，導致工作異常。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_處理機制如圖25 所示。

圖25 抗干擾處理機制

4   結束語(yǔ)

技術(shù)方案從總體設計到各模塊設計均緊密融合了可靠性原則^[4]，在此基礎上運用結構、工藝、軟件、硬件技術(shù)解決了降本需求。設計中吸取了過(guò)去的產(chǎn)品應用經(jīng)驗，規避了一些問(wèn)題點(diǎn)。近距離時(shí)，發(fā)射和接收單元的PCB 板正面（元件面）平行會(huì )出現相互干擾的問(wèn)題，本版采用PCB 板側面相對的布局方式，以可靠消除相互干擾；光幕中均設置了可靠的接地連接點(diǎn)位，PCB 板均通過(guò)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 設計中充分平衡了成本與可靠性，實(shí)現超高性?xún)r(jià)比的效果，這種設計思想充分體現在光眼數量設置、SMT 工藝、各種抗干擾抑制電路等具體模塊的設計中；采用自主設計的光幕專(zhuān)用“多任務(wù)”系統，有效縮短產(chǎn)品輸出響應時(shí)間；獨創(chuàng )近距離交叉光束盲點(diǎn)算法，在用50 mm 最小遮擋物進(jìn)行慢速測試時(shí)（移動(dòng)速度（3~5）mm/s），此種光幕能夠顯現出更優(yōu)秀的盲點(diǎn)探測性能；軟件設計中運用了同步信號干擾屏蔽算法，能夠在部分復雜電磁環(huán)境下屏蔽脈沖干擾。

參考文獻：

[1] 胡志山.電梯光幕技術(shù)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系統測算法[J].電子產(chǎn)品世界,2021(3):53-56.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）