王忠誠(chéng)，賀云波，廖俊鴻，黎煒天

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

最近十年來，國(guó)內(nèi)對(duì)立體停車設(shè)備的需求大增，立體停車設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)越來越快的趨勢(shì)。相較于傳統(tǒng)的停車場(chǎng)，立體停車庫(kù)能充分利用土地資源且配置簡(jiǎn)單，操作方便。目前在市場(chǎng)上常見的立體停車庫(kù)類型主要有簡(jiǎn)易升降式立體車庫(kù)、垂直升降式立體車庫(kù)、垂直循環(huán)式立體車庫(kù)、升降橫移式立體車庫(kù)、平面移動(dòng)式立體車庫(kù)和巷道堆垛式立體車庫(kù)[1-3]。由于升降橫移式立體停車庫(kù)對(duì)場(chǎng)地的要求不高，只要有平面場(chǎng)地就可進(jìn)行建設(shè)，適應(yīng)性強(qiáng)且可大可小，建設(shè)的成本很低，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，因此在市場(chǎng)上占有很高的份額。

本文以一個(gè)六層七車位的升降橫移式立體停車庫(kù)作為研究對(duì)象，采用了基于CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)的控制系統(tǒng)來完成停車庫(kù)所有的邏輯控制。同時(shí)，給出了控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、硬件和控制過程的設(shè)計(jì)。

1 六層升降橫移式立體車庫(kù)的運(yùn)行原理及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 升降橫移式立體車庫(kù)的運(yùn)行原理

本文選用的六層七車位升降橫移式立體停車庫(kù)的車庫(kù)結(jié)構(gòu)是：第六層有兩個(gè)停車位且只能做升降運(yùn)動(dòng)；其他五層都只有一個(gè)車位，其中二至五層的停車位既可做升降運(yùn)動(dòng)也可做橫移運(yùn)動(dòng)，第一層的車位只能做橫移運(yùn)動(dòng)。圖1為六層升降橫移式立體停車庫(kù)的實(shí)物圖。

圖1 六層升降橫移式立體停車庫(kù)實(shí)物圖

該六層七車位車庫(kù)控制系統(tǒng)的具體運(yùn)行原理如下：第一層的車位用戶可以直接將車輛停放在上面無需進(jìn)行載車板的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)存取第二層停車位的車輛時(shí)，控制系統(tǒng)需要判斷第一層停車位是否在第二層車位的下方，如果是則先對(duì)第一層車位進(jìn)行橫移運(yùn)動(dòng)，挪出空位后再對(duì)第二層車位進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，否則，則第二層車位可以直接下降到一層，用戶此時(shí)可以進(jìn)行存取車；當(dāng)存取第三層到第六層的車位時(shí)運(yùn)行原理與存取第二層相同，如果下方有其他車位在同一升降通道，則需要將其橫移開，將升降通道打開后，再將目標(biāo)車位下降到一層。

1.2 升降橫移式立體車庫(kù)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

升降橫移式立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括CPLD控制核心、行程限位開關(guān)傳感器、光電傳感器、上位機(jī)交互界面、IC磁卡機(jī)、指紋打卡機(jī)等其他輸入輸出設(shè)備。立體車庫(kù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 升降橫移式立體車庫(kù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文通過對(duì)被控對(duì)象的控制要求分析，制定了停車庫(kù)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。首先，確定了停車庫(kù)控制系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備，對(duì)控制系統(tǒng)的核心控制單元CPLD進(jìn)行選型并對(duì)外圍的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)升降橫移式立體停車庫(kù)控制流程進(jìn)行分析并對(duì)控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)控制系統(tǒng)硬件和軟件程序設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)驗(yàn)證沒有錯(cuò)誤，然后再對(duì)停車庫(kù)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試，如果符合控制邏輯要求，現(xiàn)場(chǎng)車庫(kù)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，則確定了停車庫(kù)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的可行性。升降橫移式立體車庫(kù)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 立體車庫(kù)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)流程

2 升降橫移式立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 CPLD的選型

CPLD采用Altera公司生產(chǎn)的MAX V系列EM1270ZT144C5芯片。該芯片的I/O管腳端口數(shù)為144個(gè)，共有1 270個(gè)邏輯宏單元，邏輯控制功能非常強(qiáng)大；芯片之間的引腳延遲最小可以達(dá)到3 ns,同時(shí)兼容5 V和3.3 V的工作電壓。另外，該芯片還具有在系統(tǒng)可編程ISP(In System Program)的功能，就算整個(gè)硬件系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，也可以通過JTAG重新配置接口，方便了對(duì)系統(tǒng)的修改與升級(jí)[4]。

2.2 CPLD控制系統(tǒng)主要外圍電路設(shè)計(jì)

CPLD控制系統(tǒng)外圍電路主要包括電源模塊、JTAG接口模塊、信號(hào)隔離電路模塊和繼電器驅(qū)動(dòng)電路模塊。

2.2.1 電源模塊

電源模塊是整個(gè)停車庫(kù)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的一個(gè)模塊，電源供應(yīng)是否穩(wěn)定將直接影響到整個(gè)停車庫(kù)控制系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定、可靠。CPLD控制器硬件電路中各模塊需要的工作電壓主要為5 V、3.3 V和1.8 V，而外部供應(yīng)電源是直流開關(guān)電源DC 24 V，所以需要進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。為了能夠滿足硬件系統(tǒng)的功率需求，本文選用了3塊電源管理芯片(LM2576HVS、LT1085IT和LT1963AEQ)分別為各模塊電路供電。其中，在LM2576HVS電源管理轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)中需加入一個(gè)1 A的保險(xiǎn)絲，其目的是當(dāng)整個(gè)電路系統(tǒng)出現(xiàn)故障或負(fù)載功率過大時(shí)能及時(shí)斷開以保護(hù)電路板上其他器件不被燒壞。本文給出了5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換電路圖，如圖4所示。

圖4 LT1085IT電壓轉(zhuǎn)換電路圖

2.2.2 JTAG接口模塊

JTAG是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試協(xié)議，主要用于系統(tǒng)的調(diào)試接口和復(fù)雜芯片內(nèi)部部件的測(cè)試。CPLD支持此接口協(xié)議，配有專門的仿真器，通過JTAG接口可以進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和下載應(yīng)用程序到CPLD器件中。本文選用的JTAG接口型號(hào)為5103308-1，JTAG接口電路原理圖如圖5所示。在TDI和TMS引腳端加上拉電阻，其目的是使該引腳在沒有驅(qū)動(dòng)的情況下且處于邏輯1狀態(tài)時(shí)可以降低芯片引腳的功耗。

圖5 JTAG接口電路原理圖

2.2.3 信號(hào)隔離電路模塊

在CPLD硬件系統(tǒng)中，涉及強(qiáng)電與弱電系統(tǒng)，為了避免內(nèi)外界干擾，使得傳輸信號(hào)不產(chǎn)生失真，因此本文采用基于光電耦合器的抗干擾電路設(shè)計(jì)，選用FOD060L型光電耦合器件。光電隔離電路圖如圖6所示。

圖6 光電隔離電路圖

2.2.4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路模塊

在升降橫移式立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)硬件電路中，通過控制繼電器的吸合來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。一般CPLD芯片的引腳驅(qū)動(dòng)電流很弱，無法直接驅(qū)動(dòng)繼電器的吸合來控制電機(jī)，因此需要外圍的電路設(shè)計(jì)來增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流從而驅(qū)動(dòng)繼電器工作,本文選用了型號(hào)為DMN6040SSD的場(chǎng)效應(yīng)管來驅(qū)動(dòng)控制繼電器的通斷，該場(chǎng)效應(yīng)管的耐壓值為60 V，漏極電流可達(dá)到5 A。

本文采用泰科公司生產(chǎn)的RM707024繼電器來控制升降電機(jī)，采用PT371024繼電器來控制橫移電機(jī)。RM707024繼電器額定接觸電流可達(dá)16 A，PT371024繼電器額定接觸電流可達(dá)10 A，兩個(gè)線圈電壓都為24 VDC，繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管D1和D2，其作用是保護(hù)CPLD芯片，防止繼電器在斷開時(shí)由于電感而產(chǎn)生的高反電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)致CPLD芯片的損壞。

圖7 繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖

3 升降橫移式立體車庫(kù)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

升降橫移式立體停車庫(kù)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是完成車庫(kù)存取車的操作，可采用手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種控制模式。

該停車庫(kù)手動(dòng)控制的軟件流程如下：當(dāng)用戶選擇了存取車位號(hào)后，在上位機(jī)操作界面通過按“上、下、左、右”按鍵就能控制載車板運(yùn)動(dòng)到指定的位置。

該停車庫(kù)自動(dòng)控制程序流程設(shè)計(jì)如下：當(dāng)用戶刷卡或指紋進(jìn)入到自動(dòng)控制模式后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別判斷存取車位下的升降通道是否有空位，如果有則直接進(jìn)行下降移動(dòng)，否則則需要將同方位下的其他所有車位載車板橫移運(yùn)動(dòng)挪出空車位，然后再進(jìn)行其他相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。具體的自動(dòng)控制程序流程如圖8所示。

圖8 自動(dòng)控制程序流程

4 結(jié)論

本文以六層七車位升降橫移式立體車庫(kù)為研究對(duì)象，分析了停車庫(kù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，設(shè)計(jì)了以CPLD為核心的控制系統(tǒng)硬件部分，同時(shí)給出了停車庫(kù)控制程序設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用CPLD作為車庫(kù)控制系統(tǒng)的核心處理器，不僅可以降低整個(gè)停車庫(kù)控制系統(tǒng)開發(fā)的成本，而且停車庫(kù)控制系統(tǒng)具備運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、系統(tǒng)易升級(jí)維護(hù)的特點(diǎn)，很適合城市居民小區(qū)的立體車庫(kù)。對(duì)于其他智能立體停車庫(kù)的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。