如何基于DSP芯片的多层循环式立体车库控制系统？

引言

随着经济的快速发展和城市化水平的不断提高，世界汽车拥有量在日益增加，如何解决停车难问题已经成为了全世界亟待解决的问题。立体车库以其节省占地面积、出入库管理方便、配置灵活等优势逐渐成为了解决城市“停车难”问题的重要途径和发展方向。目前国内外的立体车库大多采用PLC (Programmable Logic Controller)作为控制核心，虽然PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、易学易用的诸多优势，但是以PLC作为控制核心的控制系统体积大，价格昂贵，而且运算速度慢，出错率高，已经不能满足立体车库控制技术飞速发展的需要，严重地阻碍了立体车库技术的进步。速度更快、性能更强、集成度更高的芯片已经成为立体车库发展的迫切需要。数字信号处理器DSP (Digital Sig—nal Processor)和复杂的可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)的出现，从根本上解决了这个问题。本文将针对多层循环式立体车库以DSP作为核心控制芯片，通过外扩CPLD对车库的控制系统进行设计，实现了以PLC作为控制核心的立体车库原有的功能，并且通过DSP芯片多输入输出点的特性降低了车库的控制成本，提高了运行速度，为将来立体车库的发展趋势即以DSP芯片代替PLC作为控制核心奠定了基础。

1 主要结构

多层循环式立体车库是采用了通过载车板作上下循环运动，而实现车辆多层存放的多层循环式停车设备。本设备主要由钢结构框架、车板旋转系统、上下升降系统、水平横移系统、自动控制系统、消防系统等组成。

1)钢结构框架：主要由立柱、角钢、拖槽、机构梁、辅助梁、支撑管、调整梁、车板升降导轨、车板横移导轨、停车架等部件组成。主要作用是承重和内置几十个停车泊位并安装机械传动、电气控制、消防系统、排水等设备。

2)车板旋转系统：该机构设置在车库的出入口，其主要由旋转盘、插销电机、摩擦轮电机等构成。因为当车出入车库时，为了方便存取，必须先顺时针或逆时针旋转90度，其旋转动作是由摩擦轮电机带动摩擦轮通过摩擦轮摩擦旋转台来实现的。

3)上下升降系统：主要由升降电机、变频器、升降链条、平衡链等组成，其升降动作是由变频器控制升降电机，通过升降链条带动平衡链实现的。

4)水平横移系统：设置在每层横移导轨的中间。主要由电机、变频器、链传动长轴、链条、链轮及三级滑叉等组成。其工作原理是当电机运转后，通过链传动带动长轴转动，长轴两端通过链条、链轮带动三级滑叉横向移动。载车板横移机构的功能是带动该层所有车板左移或右移一个车位。

5)自动控制系统：主要包括控制、拖动、检测及安全保护部分。多层循环式立体车库存取车时的动作较多且复杂，要求控制系统能实现顺序动作、速度、定位及安全互锁等控制，为了保证传动装置在运行时做到低噪声、低能耗、自动加减速，并且运行平稳、高速、准确，车库的驱动装置多采用交流变频调速系统。为确保车辆安全，车库内还安装了光电检测装置和各种限位装置来检测隐患。

6)消防系统：在停车库内设置整套自动灭火系统，烟感及温感探测器均匀分布在各层车架中间，如果库内温度或烟气浓度过高，消防系统将启动排风机直至达到设定要求，若失火，整个自动灭火系统会迅速将火熄灭。

2 车库运行流程概述

车库存车过程：当司机在车库门前刷卡后，车库门自动打开，将汽车开进车库停在旋转台上，司机走出车库再次刷卡，此时车门自动关闭，同时旋转台顺时针旋转 90度，旋转台插销打开，拖车板脱离旋转台开始下降到指定层与离出入口最近的一个空车板进行交换，从而实现存车过程。取车过程正好与之相反。

对于该种形式的立体车库，存取车位存在非常大的不确定性，存取车时通过控制载车板横移机构和车库两侧的车板升降机构，使相邻两层做循环往复的运动，所以做循环存取的车位在每一次的存取车后它所处的位置都会有一定的变化。而车库存取车辆的核心策略在于有车辆的车板和无车辆的空的载车板之间的交换。存取车运行流程如图1所示。

图1 车库运行流程

3 控制器设计

立体车库的各种运动由带动拖车板的各个电机完成，立体车库控制本质上是对各个电机的控制，也就是对与电机连接的相应各个继电器开关的控制。所有继电器开关的控制信号均由PWM脉冲信号驱动控制，同时配有码盘传感器把拖车板的位置信号转换成脉冲信号。各控制器的任务就是按照指定的程序对这些继电器开关进行控制，使之完成相应的动作命令。

3.1控制器总体结构

立体车库控制器总体结构如图2所示。光电码盘传感器把拖车版的位置信息转换成两路宽度相同但相位差90度。的脉冲信号，脉冲的数目与拖车板运动的距离成正比，相位差的符号代表了拖车板运动的方向。因此，通过对两路脉冲进行计数就可以得到拖车板的实际位置。脉冲信号经过光电隔离器件隔离后送入CPLD脉冲计数器，计数后的信息送入DSP主处理器。主处理器对接收到的拖车板位置信息进行计算和分析，并结合主控计算机的控制命令产生相应的PWM脉冲控制信号，经过光电隔离和功率放大后送给执行机构，控制拖车板的运行。DSP通过CAN总线收发器连接到总线上，为提高精度，中间需要进行光电隔离。

图2 控制器结构图

3.2 DSP结构设计

DSP主处理器是整个控制器的核心，主要完成信息处理和控制的各项功能。选用的DSP为TI公司的TMS320LF2407A芯片，它是TI家族C2000系列中的高档产品，集实时处理能力和控制器外设于一身，非常适用于工业控制。

DSP主处理器与外部电路的主要接口如图3所示。其中，CLKIN为外部时钟信号输入端口，与外部频率为10MHz的时钟脉冲发生器相连，经过内部锁相环 (PLL)倍频后为系统提供40MHz的工作时钟。PIJJF与PILF2与外部Lc滤波电路相连，为输入时钟提供滤波功能。XINTl为外部中断输入端口，接收CPLD提供的外部中断信号，用来检测拖车板的零位。当每个拖车板经过自己的零位时，由光电零位检测开关发出一个脉冲信号，经CPLD译码后送 DSP外部中断，DSP运行中断服务子程序对信息进行分析和处理，是哪一个拖车板就给哪一个计数器发送清零控制信号，如果是伪信号则不作理会。

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图3 DSP连线示意图

RS为外部复位端口，连接外部看门狗电路，看门狗对外部输入电压进行监视，当电压超出规定值时向DSP发送复位信号使DSP复位。SPICLK、SPI— SOMI、SPISIMO和BOOTEN为串行端口，与外部存储器相连，从外部存储器中读取执行控制算法时需要的各种参数。DO～D15为16位数据总线，与CPLD相连，接收CPLD计数器提供的数据。A0～A15为16位地址总线，IS、WE、RD、STRB为外部控制总线，都与CPLD连接，共同为整个电路提供各种译码和控制功能。CANRX和CANTX为通信端口，通过光耦与CAN总线收发器相连，最后连接到通信总线上，与主控计算机交互信息。 PWMO～PWMn为多路PWM控制脉冲输出端口，输出的PWM脉冲控制信号经过光电隔离和功率放大后送执行机构控制各拖车板的运行。TRST、TMS、 TDI、TDO、TCK、EMU0和EMUl为调试端口，与外部标准JTAG调试接口相连，用来对DSP进行仿真和调试。

DSP的CAN总线通信功能由其内部自带的CAN控制器模块完成，所需的PWM控制脉冲由两个事件管理器中的多路PWM脉冲发生器产生，实现起来十分方便。DSP的软件开发也十分容易，只要在其专用的集成开发环境CCS(Code Composer Studio)中编译好程序，用一根下载线通过标准的JTAG接口就可以把程序烧录到DSP的程序存储器中。

3.3 CPLD结构设计

CPLD作为控制器的脉冲计数器，并完成所有的译码功能，在控制器中同样占有十分重要的位置。本文选用的是ALTERA公司生产的MAX7000系列芯片中的EPM7256AE，这是一款100引脚低电压(3.3V供电同时兼容5v)、高速度(传播延迟最小为5ns)、高集成度(内含256个宏单元)的芯片，其电路连接如图4所示。

在图4中，PHASElA～PHASEnA和PHASEIB～PHASEnB为多对码盘脉冲信号输入端口，接收码盘脉冲信号并进行计数，PHASElA与 PHASElB为1对输入，PHASEnA与PHASEnB为1对输入，以此类推。SWITCH1～SWITCI-In为各拖车板零位检测输入端口，当每个拖车板经过自己的零位时就由零位光电检测开关向CPLD输出一个脉冲信号，CPLD对各零位脉冲信号进行处理后由XINT1端口以外部中断的方式送 DSP处理。DO～D15为16位数据端口，与DSP的数据总线相连，把计数结果送给DSP。A0～A15和IS、WE、RD、STKB等端口分别与 DSP相应端口连接，接收DSP的地址和控制信号，完成各种控制和译码功能。TMS、TDI、TDO、TCK各端口分别与外部标准JTAG接口相连，完成各种仿真和调试功能。

图4 CPLD连接不意图

所有的计数器都由同一个逻辑体完成，图5为单个计数器逻辑体示意图。其中，phase a、phase b分别为码盘传感器的两路脉冲输入信号，也就是计数的对象;clear为CPLD内部译码后产生的清零信号，可以使计数器复位1 read为CPLD内部译码产生的DSP读计数器值信号，该位有效时把计数结果q[]送给DSP。

用MAX+pluslI环境自带的AHDL语言编写的16位计数器算法：

图5 计数器示意图

由于CPLD的引脚极其灵活，用户可以根据需要任意选取和配置，这就大大提高了设计的灵活性，同时降低了电路板布线的复杂程度。同时，CPLD支持多种输入方法，开发过程十分简单，只需在专用的开发软件上使用自己熟悉的语言编译出需要的软件，然后使用专用的下载线把程序下载到CPLD中，就可以进行在线修改和调试，而且大部分设计和优化工作可由软件自动完成，使用起来十分方便。

4 结论

基于DSP芯片的多层循环式立体车库控制系统，由于使用了运算速度快、内部资源丰富、外部接口灵活的DSP芯片作为控制核心，大大降低了车库的生产成本、提高了车库的运行速度，比以往的采用PLC或者单片机的控制系统更加经济、可靠，为立体车库的技术向更先进的方向发展奠定了坚实的基础。

随着立体车库控制技术的不断发展、DSP芯片的不断升级与完善，DSP在未来必将取代PLC成为立体车库控制部分发展的主流，未来的立体车库在生产成本、运行费用、控制性能上定能实现更大的突破，智能化立体车库在未来必然有更大的发展。