一種電梯光幕的設計
來源:用戶上傳
作者:胡志山
摘 要：針對市場對高性價比的電梯智能光幕的需求，基于對傳統光幕的改進設計，給出了可靠的降本設計方案。通過對結構和PCBA工藝路線的改進設計，以及對核心電子組件的國產化等途徑實現了綜合降本。運用“時分復用”機制實現智能光幕的距離探測，巧妙地實現了燈管復用技術，降低了硬件成本；運用“多任務”模式實時更新輸出狀態，有效縮短了輸出響應時間；運用獨創的軟件算法實現近距離盲點掃描的不足，改進了PCB板安裝布局，消除了近距離平行干擾，有效提高了產品可靠性。
關鍵詞：電梯光幕；智能光幕；光幕設計；光幕技術
隨著電梯市場的深度發展，對電梯光幕的標準不斷提高，而對價格卻提出了進一步降本的需求，如何推出高性價比的智能光幕已成為各廠商的主要議題。
1 產品簡介
電梯光幕是電梯的關門保護裝置（參照圖1～圖3），可有效實現在未接觸乘員或物體的情況下實現保護動作。光幕由發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[1]。
1.1 需求信息
目前梯光幕正朝著具備成本優勢的前提下滿足高可靠性、安裝便捷化、應用智能化的方向發展，一句話：市場需要高性價比的光幕產品，成本控制在180元以內。
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，充分運用多年技術沉淀和產品經驗實施升級設計。
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。
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。
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。
2.2 產品架構
2.3 程序流程
1）發射單元程序流程
發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。
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
?、賹D11所示原二合一光幕結構中，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品體積，改進后的結構如圖12所示。改進前后觸板固定螺栓如圖13所示，改進前螺帽位于型材內部深度7.3 mm，改進后螺帽超出型材2.7 mm，這樣大大方便了該螺帽的緊固。
?、阡X型材內部設計型腔，增加了結構強度。
?、蹥んw內部PCB板安裝布局方式改進為側面相對，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，即當光幕收發單元靠近時，發射單元的PCB板和接收單元的PCB板相互平行貼近，導致線路和元件、尤其是發射驅動脈沖與接收放大電路之間的干擾強度接近有用信號強度，致使產品可能出現不穩定的工作狀況。[3]
2）純光幕
原螺栓安裝板由1.5 mm厚度的邊條（見圖16），改進為型腔結構（見圖17），增加了結構強度，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；設置沉孔內置螺帽，使產品裝梯后整體穩定美觀。內部PCB板安裝布局方式改進為側面相對，同二合一光幕。
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）結構簡單，安裝方便，有效降低產品成本。
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，使光幕擁有更強的抗干擾能力。
3）不再需要通過鑄鋁轉接板來實現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為貼片封裝，實現整板全SMT工藝，有效的減少了人工提高了產能，自動化工藝的批量運用，使品質一致性得到了進一步的提升。
2）光眼布局c數量設置
如圖20所示，36對光眼采用等間距局，排列方式簡單，便于批量生產工藝的實現。
燈管數量設置既要符合標準要求又要兼顧成本優勢和實用性，根據GB/T7588.1―2021相關要求，光幕保護范圍至少覆蓋門坎以上（25～1 600）mm的區域，這個區域其實也是一個有實用價值的區間。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上，將燈管設置為36對，這樣既符合標準要求，也適應市場降本需要。相反，因產品內部有信號放大電路，若燈管設置數量過多，對產品的穩定性和可靠性也可能帶來隱患。
3）芯片國產化
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制造廠商不可忽視的問題，最終必然會波及產品交期、成本和品質。本方案選用國產芯片取代進口芯片，芯片價格低、質量穩定且交期短，是光幕批量生產及穩定投放市場的重要保障。
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，端口及關鍵點設置TVS、VDR、PTC等瞬時脈沖吸收電路，優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，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光電管輸出的電壓值，并且每個信號可連續采集13次，足夠光幕進行穩定判斷處理。
相比而言，電平采集方式有時候就容易出現誤判的情形。例如，使用50 mm最小遮擋物進行遮擋時，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，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致光幕輸出無遮擋狀態，與實際情況不符。如果運用AD采集法時，設置相對閾值為2.5 V，經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，與實際情況相一致。
2）盲點算法
光幕收發單元距離較近時，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行掃描檢測，再運用算法進行綜合判斷，這樣能夠顯著分辨出遮擋信號，更穩定地識別遮擋。
3）距離探測設計
獨創“時分復用”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行時分復用，基于自創專用多任務系統算法，每40 ms刷新1次距離標志，即實時更新距離信息。傳統光幕通常會在收發單元上單設幾對專用距離傳感器電路用于距離探測，得益于“時分復用”技術的應用可以有效簡化硬件電路，提高整機穩定性，節省成本。
4）多任務機制
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、任務算法及異常處理等6個模塊構成。使用自主開發專用多任務系統，主要分4個任務運行，包括同步檢測、光束掃描和信號處理，CHECK端口檢測，開關門檢測，輸出和指示處理（光幕狀態）。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。當光幕開關門時，判斷處理輸出I型/II型脈沖，當光幕狀態變化時通過輸出和指示處理任務模塊刷新輸出以及LED指示燈顏色。多任務主體分布如圖24所示。
得益于運用以上多任務機制，光幕的輸出響應時間可以有效減少到20 ms級別，可以完美展現“遮擋即所得”的實時效果。
5）抗干擾設計
同步信號線連接于光幕的發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，導致工作異常。對同步信號進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。
4 結束語
技術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、硬件技術解決了降本需求。設計中吸取了過去的產品應用經驗，規避了一些問題點。近距離時，發射和接收單元的PCB板正面（元件面）平行會出現相互干擾的問題，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位，PCB板均通過先進的EDA仿真軟件優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，實現超高性價比的效果，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用“多任務”系統，有效縮短產品輸出響應時間；獨創近距離交叉光束盲點算法，在用50 mm最小遮擋物進行慢速測試時（移動速度（3～5）mm/s），此種光幕能夠顯現出更優秀的盲點探測性能；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境下屏蔽脈沖干擾。
參考文獻：
[1] 胡志山.電梯光幕技術基本原理[J].電子產品世界，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].電子產品世界， 2015（1）：54-56.
[4] 胡志山.電子產品壽命模擬中MTTF系統測算法[J].電子產品世界，2021（3）：53-56.
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