基于CPLD的立體停車庫控制系統(tǒng)的研究與設計

王忠誠，賀云波，廖俊鴻，黎煒天

(廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

最近十年來，國內(nèi)對立體停車設備的需求大增，立體停車設備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)越來越快的趨勢。相較于傳統(tǒng)的停車場，立體停車庫能充分利用土地資源且配置簡單，操作方便。目前在市場上常見的立體停車庫類型主要有簡易升降式立體車庫、垂直升降式立體車庫、垂直循環(huán)式立體車庫、升降橫移式立體車庫、平面移動式立體車庫和巷道堆垛式立體車庫[1-3]。由于升降橫移式立體停車庫對場地的要求不高，只要有平面場地就可進行建設，適應性強且可大可小，建設的成本很低，結(jié)構(gòu)也相對簡單，因此在市場上占有很高的份額。

本文以一個六層七車位的升降橫移式立體停車庫作為研究對象，采用了基于CPLD(復雜可編程邏輯器件)的控制系統(tǒng)來完成停車庫所有的邏輯控制。同時，給出了控制系統(tǒng)的總體方案設計、硬件和控制過程的設計。

1 六層升降橫移式立體車庫的運行原理及控制系統(tǒng)方案設計

1.1 升降橫移式立體車庫的運行原理

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

圖1 六層升降橫移式立體停車庫實物圖

該六層七車位車庫控制系統(tǒng)的具體運行原理如下：第一層的車位用戶可以直接將車輛停放在上面無需進行載車板的運動；當存取第二層停車位的車輛時，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，如果是則先對第一層車位進行橫移運動，挪出空位后再對第二層車位進行升降運動，否則，則第二層車位可以直接下降到一層，用戶此時可以進行存取車；當存取第三層到第六層的車位時運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，再將目標車位下降到一層。

1.2 升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)方案設計

升降橫移式立體停車庫控制系統(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、上位機交互界面、IC磁卡機、指紋打卡機等其他輸入輸出設備。立體車庫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文通過對被控對象的控制要求分析，制定了停車庫控制系統(tǒng)的總體設計方案。首先，確定了停車庫控制系統(tǒng)的輸入輸出設備，對控制系統(tǒng)的核心控制單元CPLD進行選型并對外圍的硬件電路進行設計。同時，對升降橫移式立體停車庫控制流程進行分析并對控制程序進行設計。當控制系統(tǒng)硬件和軟件程序設計完成后，經(jīng)驗證沒有錯誤，然后再對停車庫控制系統(tǒng)進行模擬調(diào)試和現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試，如果符合控制邏輯要求，現(xiàn)場車庫控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，則確定了停車庫控制系統(tǒng)方案設計的可行性。升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)總體方案設計流程如圖3所示。

圖3 立體車庫控制系統(tǒng)總體方案設計流程

2 升降橫移式立體停車庫控制系統(tǒng)硬件電路設計

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，共有1 270個邏輯宏單元，邏輯控制功能非常強大；芯片之間的引腳延遲最小可以達到3 ns,同時兼容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，就算整個硬件系統(tǒng)已經(jīng)設計完成，也可以通過JTAG重新配置接口，方便了對系統(tǒng)的修改與升級[4]。

2.2 CPLD控制系統(tǒng)主要外圍電路設計

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

2.2.1 電源模塊

電源模塊是整個停車庫硬件系統(tǒng)設計中最為關(guān)鍵的一個模塊，電源供應是否穩(wěn)定將直接影響到整個停車庫控制系統(tǒng)運行是否穩(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，而外部供應電源是直流開關(guān)電源DC 24 V，所以需要進行電源轉(zhuǎn)換電路的設計。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)換電路設計中需加入一個1 A的保險絲，其目的是當整個電路系統(tǒng)出現(xiàn)故障或負載功率過大時能及時斷開以保護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是一種國際標準的測試協(xié)議，主要用于系統(tǒng)的調(diào)試接口和復雜芯片內(nèi)部部件的測試。CPLD支持此接口協(xié)議，配有專門的仿真器，通過JTAG接口可以進行系統(tǒng)的調(diào)試和下載應用程序到CPLD器件中。本文選用的JTAG接口型號為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)動的情況下且處于邏輯1狀態(tài)時可以降低芯片引腳的功耗。

圖5 JTAG接口電路原理圖

2.2.3 信號隔離電路模塊

在CPLD硬件系統(tǒng)中，涉及強電與弱電系統(tǒng)，為了避免內(nèi)外界干擾，使得傳輸信號不產(chǎn)生失真，因此本文采用基于光電耦合器的抗干擾電路設計，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)動電路模塊

在升降橫移式立體停車庫控制系統(tǒng)硬件電路中，通過控制繼電器的吸合來驅(qū)動電機的運行。一般CPLD芯片的引腳驅(qū)動電流很弱，無法直接驅(qū)動繼電器的吸合來控制電機，因此需要外圍的電路設計來增強驅(qū)動電流從而驅(qū)動繼電器工作,本文選用了型號為DMN6040SSD的場效應管來驅(qū)動控制繼電器的通斷，該場效應管的耐壓值為60 V，漏極電流可達到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，采用PT371024繼電器來控制橫移電機。RM707024繼電器額定接觸電流可達16 A，PT371024繼電器額定接觸電流可達10 A，兩個線圈電壓都為24 VDC，繼電器驅(qū)動電路如圖7所示。在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管D1和D2，其作用是保護CPLD芯片，防止繼電器在斷開時由于電感而產(chǎn)生的高反電動勢導致CPLD芯片的損壞。

圖7 繼電器驅(qū)動電路圖

3 升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng)軟件設計

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

該停車庫手動控制的軟件流程如下：當用戶選擇了存取車位號后，在上位機操作界面通過按“上、下、左、右”按鍵就能控制載車板運動到指定的位置。

該停車庫自動控制程序流程設計如下：當用戶刷卡或指紋進入到自動控制模式后，系統(tǒng)會自動識別判斷存取車位下的升降通道是否有空位，如果有則直接進行下降移動，否則則需要將同方位下的其他所有車位載車板橫移運動挪出空車位，然后再進行其他相應的運動。具體的自動控制程序流程如圖8所示。

圖8 自動控制程序流程

4 結(jié)論

本文以六層七車位升降橫移式立體車庫為研究對象，分析了停車庫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行原理，設計了以CPLD為核心的控制系統(tǒng)硬件部分，同時給出了停車庫控制程序設計方案。應用CPLD作為車庫控制系統(tǒng)的核心處理器，不僅可以降低整個停車庫控制系統(tǒng)開發(fā)的成本，而且停車庫控制系統(tǒng)具備運行穩(wěn)定、安全可靠、系統(tǒng)易升級維護的特點，很適合城市居民小區(qū)的立體車庫。對于其他智能立體停車庫的開發(fā)具有一定的參考價值。