摘 要：停車場在現(xiàn)實生活中隨處可見，機械式停車庫的特點在于更能節(jié)省空間，安全、快捷、方便，適應現(xiàn)代化都市的節(jié)奏。通過對ARM LPC2210和西門子變頻器MM440的研究，介紹了一種基于LPC2210和USS通訊協(xié)議的機械式停車庫的水平驅(qū)動的設計原理與具體實現(xiàn)。通過使用外圍接口RS 485通訊進行數(shù)據(jù)傳輸和傳感器信息反饋，使一臺變頻器能夠控制三臺電機，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性，降低了成本和布線數(shù)量，實現(xiàn)了車庫的穩(wěn)定運行和精確定位。

關鍵詞：機械式停車庫；LPC2210；MM440；RS 485串行通訊；USS協(xié)議

中圖分類號：TP33 文獻標識碼：A

文章編號：1004373X(2008)0117403

Research of the Mechanical Carport Level Driver Based on ARM7 LPC2210

HE Chen1，WANG Guangsheng1，LI Xiang2

(1.College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing，100022，China;

2.Beijing Wanxiang International Investment Co.Ltd.，Beijing，100016，China)

Abstract：Park is very common in our real life.And the mechanical carport is better than before，because its saving space，safety，shortcut，convenience are adapted to the cadence of the modern city.Through the research of ARM LPC2210 and SIEMENS inverter MM440，operating principles design and concrete realization of stereo-garage′s level driver based on LPC2210 and USS protocol are introduced in detail.By application of peripheral interface on RS 485 communication and feedback of sensor，it makes one inverter control three electromotors.It improves the reliability and the anti-jamming.Meanwhile，it reduces the cost and the number of electrical wire.It introduces how to make operating and accurate orientation come true.

Keywords：mechanical carport;LPC2210;MM440;RS 485 communication;USS protocol

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市的規(guī)模在不斷擴大，汽車占有量急劇增加，城市交通問題日益突出。

在國外，城市中心地區(qū)主要是采用機械式停車庫解決停車問題，這種停車庫容量大、占地少、自動化程度高，是解決目前城市停車問題的有效途徑。在國內(nèi)，機械式停車庫在一些大、中型城市也開始初顯端倪，但還處于起步階段，跟國外同行相比還存在著較大的差距。以北京為例，停車位缺口就在幾十萬個以上，因此，只要有完善配套的管理法規(guī)和促進機械式停車庫發(fā)展的措施，機械式停車庫在我國將有著很廣闊的發(fā)展前景。

1 機械式停車庫系統(tǒng)簡介

本文著重闡述機械式停車庫水平驅(qū)動的設計與具體實現(xiàn)。機械式停車庫的平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過變頻器控制傳送裝置運行，實現(xiàn)汽車穩(wěn)定、準確地自動存車和取車功能。

系統(tǒng)設計的創(chuàng)新之處在于用1臺變頻器控制3臺不同容量的電機順序運行，并用RS 485通訊完全實現(xiàn)所有控制功能和變頻器的參數(shù)輸入。這樣減少變頻器的使用，既可以節(jié)省成本，同時還使控制線的數(shù)量降到最低。

如圖1所示為機械式車庫的水平x軸、y軸示意圖，系統(tǒng)運行過程:首先，司機駕駛汽車行駛到圓盤上，隨后司機下車離開，圓盤正向旋轉(zhuǎn)90°，使車尾面向軌道，以便取車時直接開出車庫；然后，搬運小車(如圖2所示)沿y軸縱向運行到汽車底盤下面，精確停車后梳齒(如圖2所示的柵形齒條)伸出至輪胎下面，梳齒提升，把汽車抬離地面；接著，搬運小車運行到搬運大車上，大車沿x軸方向運行到相應的車位面前；最后，搬運小車沿y軸運行到車位上，梳齒下降，把汽車降到車位面上，梳齒收回，小車從汽車底部退出返回到搬運大車上，大車沿x軸退回到圓盤面前，至此存車完畢，等待下次存車或是取車。

本系統(tǒng)是基于ARM處理器的微控制系統(tǒng)，配合液晶顯示和鍵盤輸入提供人機交互控制功能。用交流變頻調(diào)速器通過調(diào)頻控制三相交流異步電動機運行速度，再通過限位開關和電感式行程開關的實時檢測，實現(xiàn)精密定位。

2 水平驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)

2.1 器件設備選型

當前，運動控制領域大多采用PLC可編程邏輯控制器其設計簡單、穩(wěn)定性好，但他的靈活性不高，功能受價格限制比較大。隨著近幾年嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多的嵌入式處理器應用于工業(yè)控制領域，功能強大、可擴展性好、價格便宜。

LPC2210是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器。由于LPC2210的144腳封裝，極低的功耗，多個32位定時器，8路10位ADC，PWM輸出以及多達9個外部中斷使他們特別適用于工業(yè)控制系統(tǒng)。通過外部存儲器接口可將存儲器配置成4組，每組的容量高達16 MB，數(shù)據(jù)寬度為8/16/32 b；EmbeddedICE-RT接口使能斷點和觀察點；當前臺任務使用片內(nèi)RealMonitor軟件調(diào)試時，中斷服務程序可繼續(xù)執(zhí)行；多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、高速I2C接口(400 kb/s)和2個SPI接口；多達76個通用I/O口(可承受5 V電壓)，12個獨立外部中斷引腳(EIN和CAP功能)通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率，片內(nèi)晶振頻率范圍1~30 MHz。

變頻器采用西門子通用型變頻器MM440，系統(tǒng)涉及3個交流異步電機，容量分別是5.5 kW，3 kW和1.5 kW。容量雖然不同，但由于運動過程是順序執(zhí)行的，所以為了節(jié)省成本，設計用一個容量為5.5 kW的變頻器控制3臺電機的運行。MM440變頻器由微處理器控制，采用具有現(xiàn)代先進水平的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)作為功率輸出器件，因此他們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。同時，MM440具有全面而完善的控制功能，在設置相關參數(shù)后，可以用于高級的電動機控制系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 弱電部分設計

以LPC2210為處理器的主控制板，通過I/O口輸出，經(jīng)過光電隔離和驅(qū)動電路，控制繼電器，進而吸合相應的接觸器選通相應的電機運行和電機抱閘工作；通過I/O口輸入，經(jīng)過光電隔離采集電感式傳感器和限位開關信號，與變頻器組合控制運行軌跡；LPC2210通過I2C總線接口控制ZLG7290按鍵芯片，通過總線接口連接液晶控制器，完成存取車的功能設定；系統(tǒng)前向通道的關鍵在于串行通訊，對變頻器的控制完全通過串行通訊，使控制信號數(shù)量降到最低，簡單高效。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2.2 強電部分設計

強電部分硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，應用接觸器組和變頻器控制電機的選通和運行。

MM440變頻器可以利用BOP基本操作板修改參數(shù)，使變頻器與設備相匹配。本系統(tǒng)涉及到需要設置的參數(shù)見表1。

先用BOP基本參數(shù)設置面板調(diào)試，使大車電機、圓盤電機和小車電機的運行滿足如圖5所示的運行特性曲線。

3臺電機運行參數(shù)單獨設置，不同的工況要求不同的運行頻率與運行時間。陰影部分面積為行程。運行到t1時，升速階段結(jié)束，開始勻速運行；運行到t2時，接收到電感式行程開關的返回信號，開始按設定曲線減速；運行到頻率f2時，慢速爬行；在t4時刻，觸碰限位開關，首先利用電子制動裝置制動，然后吸合抱閘裝置停車。

電機的控制方式采用常規(guī)V/F控制。由于工控現(xiàn)場的環(huán)境和機械加工精度問題，有時候致使原來恒定負載出現(xiàn)了變化的可能，因此當V/F控制不能滿足要求時，采用不帶速度編碼器的矢量控制，矢量控制具有以下優(yōu)點：

(1) 負載變化時達到穩(wěn)態(tài)的過渡時間短 (抗干擾性能好)；

(2) 可以在最大可調(diào)轉(zhuǎn)矩的負載下加速和制動；

(3) 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩的控制與速度無關；

(4) 在 0 速時仍然可以保持全轉(zhuǎn)矩輸出。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 USS協(xié)議

對變頻器的控制，考慮到為了節(jié)省資源，減少信號線的數(shù)量，用1臺變頻器控制3臺電機，所以通過RS 485通訊對變頻器進行控制，采用通用的串行接口協(xié)議。

通用的串行接口協(xié)議(USS)按照串行總線的主-從通訊原理來確定訪問的方法，主站根據(jù)通訊報文中的地址字符來選擇要傳輸數(shù)據(jù)的從站，在主站沒有要求他進行通訊時，從站本身不能首先發(fā)送數(shù)據(jù)。通訊報文的結(jié)構(gòu)如下：

每條報文都是字符STX(=02hex)開始，接著是長度的說明(LEG)和地址字節(jié)(ADR)，然后是采用的數(shù)據(jù)字符，報文以數(shù)據(jù)塊的檢驗符(BCC)結(jié)束。

有效的數(shù)據(jù)塊分成兩個區(qū)域，即PKW區(qū)(參數(shù)識別ID-數(shù)值區(qū))和PZD區(qū)(過程數(shù)據(jù))，如下所示：

PKW區(qū)前兩個字的信息是關于主站請求的任務(任務識別標記ID)或應答報文的類型(應答識別標記ID)。PKW區(qū)的第3、第4個字是被訪問的參數(shù)的數(shù)值。

PZD區(qū)是為控制和監(jiān)測變頻器而設計的，MM440通常采用的是2個字長的PZD。PZD任務報文的第一個字是變頻器的控制字(STW)，第二個字是主設定值(HSW)，即主頻率設定值。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

通?？刂七^程都存在一些輸入，他們可以將該過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臓顟B(tài)，并產(chǎn)生輸出，而這些輸出也可以是下一個狀態(tài)的輸入?，F(xiàn)在假設在模型中，過程(程序流)的運行可以被認為是機器產(chǎn)生狀態(tài)的過程，程序流可以簡單地通過內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換(從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài))進行建模，這就是所謂的有限狀態(tài)機模型。

對C函數(shù)進行狀態(tài)建模，該函數(shù)具有4個有限狀態(tài)?！翱臻e”、“調(diào)用”、“執(zhí)行”及“返回”。

(1) 從“空閑”狀態(tài)到“調(diào)用”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換發(fā)生在程序中出現(xiàn)函數(shù)調(diào)用時，來自該狀態(tài)的輸出保存在堆棧中。

(2) 在“執(zhí)行”狀態(tài)時，指令執(zhí)行，且程序計數(shù)器隨著程序流發(fā)生改變。

(3) 當指令到達返回指令時，就會發(fā)生向“返回”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

(4) 從堆棧中取回保存的狀態(tài)和數(shù)值之后，就開始向空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)運行的流程如系統(tǒng)介紹中所述，如圖6所示。

其特點是在一個進程(存車或取車)當中動作必須是順序執(zhí)行的，先后次序不得顛倒，而在進程間則是根據(jù)需要進行調(diào)度的。因此，本系統(tǒng)軟件模型可采用有狀態(tài)機模型，每一個運行動作看作是一個狀態(tài)，系統(tǒng)分存車、取車、測試等幾個任務進程。通過鍵盤和液晶界面輪詢，每個用戶輸入自己的ID，選擇各自需要的功能(即任務)，系統(tǒng)會通過標志位運行相應的狀態(tài)并轉(zhuǎn)換，完成功能。

4 結(jié) 語

本文針對當前停車庫的現(xiàn)狀，提出了應用嵌入式系統(tǒng)和串行通訊驅(qū)動機械式停車庫水平運行的方案，并進行了具體實現(xiàn)。其中ARM7處理器完成軟件算法、核心控制和信號檢測的功能，RS 485通訊完成一臺變頻器控制多臺電機的功能。本文著重介紹了基于LPC2210的機械式停車庫水平驅(qū)動的設計，該方案設計簡潔，系統(tǒng)資源豐富，可擴展性強，友好的人機交互界面，串行通訊控制降低了成本，布線簡單，對變頻器功能設置靈活全面。此停車庫節(jié)省空間、人力、時間，適合大城市停車用地日益緊張的現(xiàn)狀，有著廣泛的應用前景。隨著人們生活水平的日益提高，都市現(xiàn)代化建設步伐的加快，汽車人均占有量的增加，機械式停車庫將會有更加廣闊的發(fā)展前景。[LL]

參 考 文 獻

［1］周立功.ARM與嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004.

［2］馬寧.S7-300 PLC和MM440變頻器的原理與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［3］[印]巴拉古魯薩米.標準C程序設計[M].金名，張長富，譯.北京:清華大學出版社，2006.

［4］李佳.ARM系列處理器應用技術完全手冊[M].北京:人民郵電出版社，2006.

［5］Philips公司.ARM7TDMIS(Rev4)技術參考手冊[Z].

［6］Philips公司.PHILIPS單片16/32位微控制器LPC2210數(shù)據(jù)手冊[Z].

作者簡介

賀 陳 男，1983年出生，北京市人，碩士研究生。主要從事檢測與自動化裝置方向的研究。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>