基于DSP的仓储式立体车库控制系统设计

基于DSP的仓储式立体车库控制系统设计
张育斌;王万成;王志琴;郑兴华
【摘要】立体车库不断向智能化,规模化,网络化的方向发展.介绍了一种基于DSP 和PLC有机结合的仓储式立体车库控制系统设计新方案.阐述了该系统的基本功能及创新功能进行,如车辆自动识别系统、视频车辆安全检测系统,并对硬件结构和软件设计进行了设计和实验.此外,进行了信用卡、手机付费等的计费系统的人机界面设计,并对载入到系统中的新技术提出了可行性设计.测试和实验表明,该系统的设计在现有的立体车库设计中达到设计新颖、效率高、监控好、安全可靠、高智能化和人性化,提高了立体车库的市场接受程度,有效解决城停车难问题,优化城市规划.【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2013(021)003
【总页数】3页(P648-650)
【关键词】数字信号处理器;仓储式立体车库;监控系统
【作者】张育斌;王万成;王志琴;郑兴华
【作者单位】宁波大红鹰学院,浙江宁波 315175;宁波出入境检验检疫局电气安全检测中心,浙江宁波 315000;宁波思汇齐智能系统集成有限公司,浙江宁波 315100;宁波大红鹰学院,浙江宁波 315175
【正文语种】中文
【中图分类】TP302
0 引言
近年来，城市中停车难的问题越来越严重，在大中城市尤为突出［1］。

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。

目前国内外的立体车库大多采用PLC作为控制核心，PLC具有
可靠性高、抗干扰能力强、易学易用的诸多优势，但运算速度慢，出错率高，不能实现智能化，规模化［2］。

而成本低、易开发、技术不断提高的单片机，一定程度上适合设计，但对于一些比较复杂的控制，其计算量往往很大，计算速度将直接影响控制精度，且易受外界干扰，不适合在恶劣工作环境中工作［3］，另外数字信号处理功能相对较差。

本文提出了结合DSP和PLC来控制智能仓储式立体车库系统。

DSP（数字信号处理器），速度快、性能强、集成度高，已经成为立体车库发展的首选［4］。

芯片作为车位控制核心，对车库车位信息的控制系统进行设计，并且通过DSP芯片多输入输出点的特性降低车库的控制成本，提高运行速度，为
高度智能化立体车库的发展奠定基础。

1 DSP芯片
本文选用的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，非常适合于工业控制。

DSP主处理器与外部电路的主要接口如图1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。

XINT1为外部中断输入端口，接收CPLD提供的外部
中断信号，用来检测载车板的零位。

当每个载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中断服务子程序对信息进行分析和处理，是哪一个载车板就给哪一个计数器发送清零控制信号，
如果是伪信号则不理会［5］。

图1 DSP连线示意图
2 仓储式立体车库结构
仓储式车库主要由3个部分组成，即机械部分，堆跺机搬运过程和计算机监控管
理系统［6］。

（1）机械部分
车库的每排车位相互连成一体，排和排之间互相独立，中间的支架换成上下固定运行堆跺机的轨道。

起身机构中依靠堆跺机作三维方向运动，不需其他立体车库的板式、叉式交接，依靠智能搬运小车直接交接汽车。

（2）堆跺机搬运过程
智能堆跺机可进行三维方向的动作完成车辆的存取。

车驶进车道，司机在读卡机处读取IC卡或者条形码，向系统申请入库。

系统根据号码，调用数据库以决定车可
停的库内位置。

车驶进出入口后，由车辆自动识别系统识别车的长、宽、高，以确保入库车辆的外型不超过本库的限制，并结合视频车辆底盘检测系统判别是否有可疑物品［7］。

同时检测车的停放位置，提示司机准确停车，并进行自动微调。

司机下车后，堆垛机上的交接小车爬行到车下，液压系统将车抬起，并放到堆垛机上。

堆垛机根据上位信息管理计算机的指令，运行到车位外，交接小车爬行到车位，将车放下。

出库时，司机读卡向系统申请出库，系统根据卡号或者条形码，确定是否是本库允许卡，并计算车费。

司机刷卡或者交费后，堆垛机开到车位，交接小车自动将车取出。

（3）计算机监控管理系统
本文智能仓储式车库的自动控制系统采用了视频和无线（GPRS）检测、认址定位、PLC网络控制及变频调速等，实现了无人管理。

该信息管理系统还能实现历史记录、计费、出卡（条形票）、报表、打印能等功能，见以下软件设计界面。

3 立体车库控制系统总体设计
各系统在控制系统的管理下协调工作，构成一个统一的整体，本系统总体设计如图2所示。

图2 仓储式立体车库控制系统设计总框图
控制中心采用主、从计算机实现双机热备用，当其中一台计算机出现故障时，可自动切换到另一台计算机，以防止数据丢失或控制失控。

上位机通过GPRS模块发
布车库信息于停车诱导屏和城市交通部门的服务器，让整个城市车库信息共享。

让停车者通过电子可变信息屏得知车库车位信息或者通过物联网，在城市车库服务器中读取信息预订车位，该系统车库得到信息在某个时间段执行预订指令，并亮黄灯。

3.1 仓储式立体停车库的检测系统
（1）仓储式立体停车库的传感检测系统
为了对智能立体停车库的运动进行控制以及从系统运行安全的考虑，必须了解其运行的各种状态。

因此，在车库的不同位置根据需求安装了传感检测系统［8］。

用于检测车库运行动作及所处状态的各种传感器的布置和功能如表1所示。

表1 车库模型传感器布置表传感器名称标号安装位置作用水平运动行程开关 e、g 下层各车位水平方向的两侧检测横移车位左右极限到达情况和车位之间的相对位置关系垂直运动行程开关 b、c 上层各车位上下的两侧检测升降车位运动到位情况冲项保护行程开关 a上层各车位的上行最大安全极限位置冗余的起升保护作用安
全锁状态检测开关 h 安全锁拉动机构后方检测安全锁状态安全保护光电开关 d 车
库车辆进口两侧立柱防止车库在运动状态时有外来人员、物体侵入车位有车检测光电开关 f 车位上，车辆前轮位置检测车位上有无车辆车牌识别光电开关 i 车位上，车牌正对位置自动识别车牌号码烟火检测光电开关 j 车位上，车辆正上方检测车位上有无烟火
（2）仓储式立体停车库的视频检测系统
系统中摄像机输出模拟视频信号，视频解码器SAA7113将该模拟视频信号变成BT.656格式的视频信号，并送给DSP的视频接口。

DSP的视频接口结合EDMA 通道把视频信号传送到SDRAM的缓存区中，CPU处理完毕后，由SAA7121将数据转换成模拟视频信号传送到监视器上显示［9］
3.2 仓储式自动化立体车库的控制系统
（1）可编程逻辑控制器（PLC）控制
在对一个自动化立体停车库的功能控制方面，我们采用可编程逻辑控制器（PLC）集中控制。

考虑到大型复杂的智能立体车库的可靠性，本文选用西门子公司生产的S7－400型PLC。

自动化系统采用模块化设计，具有比较灵活的特性［10］，可以满足自动化立体停车库控制需要。

S7－400型PLC具有以下特点：①运行速度高，CPU417－4执行一条位操作指令、字操作指令或定点运算指令只要18ns；
②存储器容量大，CPU417－4集成的工作存储器为30MB，可以扩展为64MB；
③I/O扩展功能强，可以扩展21个机架，CPU417－4最多可以扩展262144点数字量I/O和16384点模拟量I/O；④有极强的通信能力，有的CPU集成了多种通信接口，容易实现分布式结构和冗余控制系统；⑤诊断功能强，最新的故障和中断时间保存在FIFO缓冲区中。

⑥集成有HMI服务，用户只需要为HMI服务定义源和目的地址，系统会自动传送信息。

2 网络化信息采集板
现有的许多仓储式立体停车库都是采用PLC对其运动及状态进行控制的，这种做法存在一些不合理之处［11］。

首先，占用PLC控制点位过多。

一般车库每个车位需要6～8个左右的传感器用以实现各方面信息采集，这直接影响到车库的经济性能。

其次，点位的增加将使电气线路数量剧增。

电线数量增加不仅给线路的铺设带来困难，更重要的是给车库的正常安全运行带来了隐患。

如此庞杂的线路容易引起不可预测的电磁千扰，导致错误信号的产生。

而控制系统会因这些信号的错误做
出错误的控制动作，从而最终导致车库硬件故障，甚至是安全事故的发生。

本文提出了用网络化采集车位信息的方法代替原先的PLC直接从每个传感器获得信息的
方法。

网络化信息采集是通过安装在每个车位上的DSP控制的电路板，将采集到的传感
器信号处理之后以总线的方式传给控制PLC。

这样不但实现了传感信息传输的简
易化、防止了因线路复杂引起的系统异常状态，而且可以做到简单信息的就地分析和处理，缓解了PLC的控制压力，从而使得整个车库运动控制操作级系统变得更
加稳定、合理。

3 车位信息采集板的硬件构成
车位信息采集板使用DSP作为控制核心，DSP控制8路数字信号的输入，支持4路数字量继电器输出，同时还具有485总线通信功能和采集板硬件地址编号功能。

一个自动化立体车库中有十几个甚至更多的车位，每个车位都有一块采集本车位信息的采集板，这些板之间通过总线的方式与PLC连接。

在网络连接过程中，这些
采集板必须互相区别，否则会造成通信错误。

因此，每一块信息采集板应当有唯一的硬件ID以区别于其他采集板。

该ID也是通讯协议中的目标地址编码［12］。

图3 信息采集板的硬件ID编码电路原理图
图3为信息采集板的硬件ID编码电路。

信息采集板的ID编码采用一组拨码开关
实现。

开关一端挂于高电平，另一端对应单片机的输入端口。

当拨码开关接通时单片机对应端口有高电平输入，通过相应端口的电平不同来实现采集板的硬件编号。

图中采用的是4位拨码开关，总共可以定义16个不同编号，这对于小型自动化立体车库己经够用了。

对于大型车库，可通过增加拨码开关位数的办法实现编码扩展。

PLC和DSP控制见图4。

4 系统模拟实验
在完整的立体车库智能监控管理系统控制下，采用3种不同存车策略进行实验，
同时采用3种单独PLC、单独DSP、和PLC联合DSP的双CPU控制该系统，在样机实验中各取100次实验，取得存取时间的平均值，见表格2。

表2 实验结果原地待命存车优先交叉存取PLC 55.36s 53.33s 51.08s DSP 55.45s 52.11s 50.56s双CPU 46.29s 49.03s 45.22s
从实验可以得出，采用双CPU控制的存取时间明显比单CPU的效果明显，平均最多节省16.51%的时间，至少也有5.91%时间可以节约。

同时也可以知道整体上原地待命比存车优先时间节省，交叉存取又比原地待命平均可时间节省。

图4 DSP和PLC硬件连接图
5 结论
基于DSP芯片和PLC的仓储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芯片和控制能力强大的S7－400型号的PLC作为控制核心，大大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安全可靠，通过实验在存取时间上控制性能上也实现了更大的突破，为立体车库向更先进的方向发展奠定了坚实的基础。

本系统，在系统中提出了更人性化的设计，提高了业主服务质量，城市更好的发展立体车库，使用立体车库，解决城市停车难，也让未来的立体车库与城市建设能更好地有机结合发展。

【相关文献】
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