如何基于DSP芯片的多層循環(huán)式立體車庫控制系統(tǒng)？

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，世界汽車擁有量在日益增加，如何解決停車難問題已經(jīng)成為了全世界亟待解決的問題。立體車庫以其節(jié)省占地面積、出入庫管理方便、配置靈活等優(yōu)勢逐漸成為了解決城市“停車難”問題的重要途徑和發(fā)展方向。目前國內(nèi)外的立體車庫大多采用PLC (Programmable Logic Controller)作為控制核心，雖然PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、易學(xué)易用的諸多優(yōu)勢，但是以PLC作為控制核心的控制系統(tǒng)體積大，價(jià)格昂貴，而且運(yùn)算速度慢，出錯(cuò)率高，已經(jīng)不能滿足立體車庫控制技術(shù)飛速發(fā)展的需要，嚴(yán)重地阻礙了立體車庫技術(shù)的進(jìn)步。速度更快、性能更強(qiáng)、集成度更高的芯片已經(jīng)成為立體車庫發(fā)展的迫切需要。數(shù)字信號(hào)處理器DSP (Digital Sig—nal Processor)和復(fù)雜的可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)的出現(xiàn)，從根本上解決了這個(gè)問題。本文將針對(duì)多層循環(huán)式立體車庫以DSP作為核心控制芯片，通過外擴(kuò)CPLD對(duì)車庫的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以PLC作為控制核心的立體車庫原有的功能，并且通過DSP芯片多輸入輸出點(diǎn)的特性降低了車庫的控制成本，提高了運(yùn)行速度，為將來立體車庫的發(fā)展趨勢即以DSP芯片代替PLC作為控制核心奠定了基礎(chǔ)。

1 主要結(jié)構(gòu)

多層循環(huán)式立體車庫是采用了通過載車板作上下循環(huán)運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)車輛多層存放的多層循環(huán)式停車設(shè)備。本設(shè)備主要由鋼結(jié)構(gòu)框架、車板旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、上下升降系統(tǒng)、水平橫移系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等組成。

1)鋼結(jié)構(gòu)框架：主要由立柱、角鋼、拖槽、機(jī)構(gòu)梁、輔助梁、支撐管、調(diào)整梁、車板升降導(dǎo)軌、車板橫移導(dǎo)軌、停車架等部件組成。主要作用是承重和內(nèi)置幾十個(gè)停車泊位并安裝機(jī)械傳動(dòng)、電氣控制、消防系統(tǒng)、排水等設(shè)備。

2)車板旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)：該機(jī)構(gòu)設(shè)置在車庫的出入口，其主要由旋轉(zhuǎn)盤、插銷電機(jī)、摩擦輪電機(jī)等構(gòu)成。因?yàn)楫?dāng)車出入車庫時(shí)，為了方便存取，必須先順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，其旋轉(zhuǎn)動(dòng)作是由摩擦輪電機(jī)帶動(dòng)摩擦輪通過摩擦輪摩擦旋轉(zhuǎn)臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的。

3)上下升降系統(tǒng)：主要由升降電機(jī)、變頻器、升降鏈條、平衡鏈等組成，其升降動(dòng)作是由變頻器控制升降電機(jī)，通過升降鏈條帶動(dòng)平衡鏈實(shí)現(xiàn)的。

4)水平橫移系統(tǒng)：設(shè)置在每層橫移導(dǎo)軌的中間。主要由電機(jī)、變頻器、鏈傳動(dòng)長軸、鏈條、鏈輪及三級(jí)滑叉等組成。其工作原理是當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)長軸轉(zhuǎn)動(dòng)，長軸兩端通過鏈條、鏈輪帶動(dòng)三級(jí)滑叉橫向移動(dòng)。載車板橫移機(jī)構(gòu)的功能是帶動(dòng)該層所有車板左移或右移一個(gè)車位。

5)自動(dòng)控制系統(tǒng)：主要包括控制、拖動(dòng)、檢測及安全保護(hù)部分。多層循環(huán)式立體車庫存取車時(shí)的動(dòng)作較多且復(fù)雜，要求控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)順序動(dòng)作、速度、定位及安全互鎖等控制，為了保證傳動(dòng)裝置在運(yùn)行時(shí)做到低噪聲、低能耗、自動(dòng)加減速，并且運(yùn)行平穩(wěn)、高速、準(zhǔn)確，車庫的驅(qū)動(dòng)裝置多采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。為確保車輛安全，車庫內(nèi)還安裝了光電檢測裝置和各種限位裝置來檢測隱患。

6)消防系統(tǒng)：在停車庫內(nèi)設(shè)置整套自動(dòng)滅火系統(tǒng)，煙感及溫感探測器均勻分布在各層車架中間，如果庫內(nèi)溫度或煙氣濃度過高，消防系統(tǒng)將啟動(dòng)排風(fēng)機(jī)直至達(dá)到設(shè)定要求，若失火，整個(gè)自動(dòng)滅火系統(tǒng)會(huì)迅速將火熄滅。

2 車庫運(yùn)行流程概述

車庫存車過程：當(dāng)司機(jī)在車庫門前刷卡后，車庫門自動(dòng)打開，將汽車開進(jìn)車庫停在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，司機(jī)走出車庫再次刷卡，此時(shí)車門自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)旋轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90度，旋轉(zhuǎn)臺(tái)插銷打開，拖車板脫離旋轉(zhuǎn)臺(tái)開始下降到指定層與離出入口最近的一個(gè)空車板進(jìn)行交換，從而實(shí)現(xiàn)存車過程。取車過程正好與之相反。

對(duì)于該種形式的立體車庫，存取車位存在非常大的不確定性，存取車時(shí)通過控制載車板橫移機(jī)構(gòu)和車庫兩側(cè)的車板升降機(jī)構(gòu)，使相鄰兩層做循環(huán)往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，所以做循環(huán)存取的車位在每一次的存取車后它所處的位置都會(huì)有一定的變化。而車庫存取車輛的核心策略在于有車輛的車板和無車輛的空的載車板之間的交換。存取車運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 車庫運(yùn)行流程

3 控制器設(shè)計(jì)

立體車庫的各種運(yùn)動(dòng)由帶動(dòng)拖車板的各個(gè)電機(jī)完成，立體車庫控制本質(zhì)上是對(duì)各個(gè)電機(jī)的控制，也就是對(duì)與電機(jī)連接的相應(yīng)各個(gè)繼電器開關(guān)的控制。所有繼電器開關(guān)的控制信號(hào)均由PWM脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)配有碼盤傳感器把拖車板的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)。各控制器的任務(wù)就是按照指定的程序?qū)@些繼電器開關(guān)進(jìn)行控制，使之完成相應(yīng)的動(dòng)作命令。

3.1控制器總體結(jié)構(gòu)

立體車庫控制器總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。光電碼盤傳感器把拖車版的位置信息轉(zhuǎn)換成兩路寬度相同但相位差90度。的脈沖信號(hào)，脈沖的數(shù)目與拖車板運(yùn)動(dòng)的距離成正比，相位差的符號(hào)代表了拖車板運(yùn)動(dòng)的方向。因此，通過對(duì)兩路脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)就可以得到拖車板的實(shí)際位置。脈沖信號(hào)經(jīng)過光電隔離器件隔離后送入CPLD脈沖計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)后的信息送入DSP主處理器。主處理器對(duì)接收到的拖車板位置信息進(jìn)行計(jì)算和分析，并結(jié)合主控計(jì)算機(jī)的控制命令產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖控制信號(hào)，經(jīng)過光電隔離和功率放大后送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制拖車板的運(yùn)行。DSP通過CAN總線收發(fā)器連接到總線上，為提高精度，中間需要進(jìn)行光電隔離。

圖2 控制器結(jié)構(gòu)圖

3.2 DSP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DSP主處理器是整個(gè)控制器的核心，主要完成信息處理和控制的各項(xiàng)功能。選用的DSP為TI公司的TMS320LF2407A芯片，它是TI家族C2000系列中的高檔產(chǎn)品，集實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)于一身，非常適用于工業(yè)控制。

DSP主處理器與外部電路的主要接口如圖3所示。其中，CLKIN為外部時(shí)鐘信號(hào)輸入端口，與外部頻率為10MHz的時(shí)鐘脈沖發(fā)生器相連，經(jīng)過內(nèi)部鎖相環(huán) (PLL)倍頻后為系統(tǒng)提供40MHz的工作時(shí)鐘。PIJJF與PILF2與外部Lc濾波電路相連，為輸入時(shí)鐘提供濾波功能。XINTl為外部中斷輸入端口，接收CPLD提供的外部中斷信號(hào)，用來檢測拖車板的零位。當(dāng)每個(gè)拖車板經(jīng)過自己的零位時(shí)，由光電零位檢測開關(guān)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)CPLD譯碼后送 DSP外部中斷，DSP運(yùn)行中斷服務(wù)子程序?qū)π畔⑦M(jìn)行分析和處理，是哪一個(gè)拖車板就給哪一個(gè)計(jì)數(shù)器發(fā)送清零控制信號(hào)，如果是偽信號(hào)則不作理會(huì)。

 [!--empirenews.page--]

圖3 DSP連線示意圖

RS為外部復(fù)位端口，連接外部看門狗電路，看門狗對(duì)外部輸入電壓進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)電壓超出規(guī)定值時(shí)向DSP發(fā)送復(fù)位信號(hào)使DSP復(fù)位。SPICLK、SPI— SOMI、SPISIMO和BOOTEN為串行端口，與外部存儲(chǔ)器相連，從外部存儲(chǔ)器中讀取執(zhí)行控制算法時(shí)需要的各種參數(shù)。DO～D15為16位數(shù)據(jù)總線，與CPLD相連，接收CPLD計(jì)數(shù)器提供的數(shù)據(jù)。A0～A15為16位地址總線，IS、WE、RD、STRB為外部控制總線，都與CPLD連接，共同為整個(gè)電路提供各種譯碼和控制功能。CANRX和CANTX為通信端口，通過光耦與CAN總線收發(fā)器相連，最后連接到通信總線上，與主控計(jì)算機(jī)交互信息。 PWMO～PWMn為多路PWM控制脈沖輸出端口，輸出的PWM脈沖控制信號(hào)經(jīng)過光電隔離和功率放大后送執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制各拖車板的運(yùn)行。TRST、TMS、 TDI、TDO、TCK、EMU0和EMUl為調(diào)試端口，與外部標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試接口相連，用來對(duì)DSP進(jìn)行仿真和調(diào)試。

DSP的CAN總線通信功能由其內(nèi)部自帶的CAN控制器模塊完成，所需的PWM控制脈沖由兩個(gè)事件管理器中的多路PWM脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)起來十分方便。DSP的軟件開發(fā)也十分容易，只要在其專用的集成開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)中編譯好程序，用一根下載線通過標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口就可以把程序燒錄到DSP的程序存儲(chǔ)器中。

3.3 CPLD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CPLD作為控制器的脈沖計(jì)數(shù)器，并完成所有的譯碼功能，在控制器中同樣占有十分重要的位置。本文選用的是ALTERA公司生產(chǎn)的MAX7000系列芯片中的EPM7256AE，這是一款100引腳低電壓(3.3V供電同時(shí)兼容5v)、高速度(傳播延遲最小為5ns)、高集成度(內(nèi)含256個(gè)宏單元)的芯片，其電路連接如圖4所示。

在圖4中，PHASElA～PHASEnA和PHASEIB～PHASEnB為多對(duì)碼盤脈沖信號(hào)輸入端口，接收碼盤脈沖信號(hào)并進(jìn)行計(jì)數(shù)，PHASElA與 PHASElB為1對(duì)輸入，PHASEnA與PHASEnB為1對(duì)輸入，以此類推。SWITCH1～SWITCI-In為各拖車板零位檢測輸入端口，當(dāng)每個(gè)拖車板經(jīng)過自己的零位時(shí)就由零位光電檢測開關(guān)向CPLD輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，CPLD對(duì)各零位脈沖信號(hào)進(jìn)行處理后由XINT1端口以外部中斷的方式送 DSP處理。DO～D15為16位數(shù)據(jù)端口，與DSP的數(shù)據(jù)總線相連，把計(jì)數(shù)結(jié)果送給DSP。A0～A15和IS、WE、RD、STKB等端口分別與 DSP相應(yīng)端口連接，接收DSP的地址和控制信號(hào)，完成各種控制和譯碼功能。TMS、TDI、TDO、TCK各端口分別與外部標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口相連，完成各種仿真和調(diào)試功能。

圖4 CPLD連接不意圖

所有的計(jì)數(shù)器都由同一個(gè)邏輯體完成，圖5為單個(gè)計(jì)數(shù)器邏輯體示意圖。其中，phase a、phase b分別為碼盤傳感器的兩路脈沖輸入信號(hào)，也就是計(jì)數(shù)的對(duì)象;clear為CPLD內(nèi)部譯碼后產(chǎn)生的清零信號(hào)，可以使計(jì)數(shù)器復(fù)位1 read為CPLD內(nèi)部譯碼產(chǎn)生的DSP讀計(jì)數(shù)器值信號(hào)，該位有效時(shí)把計(jì)數(shù)結(jié)果q[]送給DSP。

用MAX+pluslI環(huán)境自帶的AHDL語言編寫的16位計(jì)數(shù)器算法：

圖5 計(jì)數(shù)器示意圖

由于CPLD的引腳極其靈活，用戶可以根據(jù)需要任意選取和配置，這就大大提高了設(shè)計(jì)的靈活性，同時(shí)降低了電路板布線的復(fù)雜程度。同時(shí)，CPLD支持多種輸入方法，開發(fā)過程十分簡單，只需在專用的開發(fā)軟件上使用自己熟悉的語言編譯出需要的軟件，然后使用專用的下載線把程序下載到CPLD中，就可以進(jìn)行在線修改和調(diào)試，而且大部分設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作可由軟件自動(dòng)完成，使用起來十分方便。

4 結(jié)論

基于DSP芯片的多層循環(huán)式立體車庫控制系統(tǒng)，由于使用了運(yùn)算速度快、內(nèi)部資源豐富、外部接口靈活的DSP芯片作為控制核心，大大降低了車庫的生產(chǎn)成本、提高了車庫的運(yùn)行速度，比以往的采用PLC或者單片機(jī)的控制系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)、可靠，為立體車庫的技術(shù)向更先進(jìn)的方向發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

隨著立體車庫控制技術(shù)的不斷發(fā)展、DSP芯片的不斷升級(jí)與完善，DSP在未來必將取代PLC成為立體車庫控制部分發(fā)展的主流，未來的立體車庫在生產(chǎn)成本、運(yùn)行費(fèi)用、控制性能上定能實(shí)現(xiàn)更大的突破，智能化立體車庫在未來必然有更大的發(fā)展。