基于ＡＲＭ７ ＬＰＣ２２１０的機(jī)械式停車(chē)庫(kù)水平驅(qū)動(dòng)的研究

摘 要：停車(chē)場(chǎng)在現(xiàn)實(shí)生活中隨處可見(jiàn)，機(jī)械式停車(chē)庫(kù)的特點(diǎn)在于更能節(jié)省空間，安全、快捷、方便，適應(yīng)現(xiàn)代化都市的節(jié)奏。通過(guò)對(duì)ARM LPC2210和西門(mén)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(jī)械式停車(chē)庫(kù)的水平驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)原理與具體實(shí)現(xiàn)。通過(guò)使用外圍接口RS 485通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和傳感器信息反饋，使一臺(tái)變頻器能夠控制三臺(tái)電機(jī)，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(shí)現(xiàn)了車(chē)庫(kù)的穩(wěn)定運(yùn)行和精確定位。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式停車(chē)庫(kù)；LPC2210；MM440；RS 485串行通訊；USS協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)：TP33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，汽車(chē)占有量急劇增加，城市交通問(wèn)題日益突出。

在國(guó)外，城市中心地區(qū)主要是采用機(jī)械式停車(chē)庫(kù)解決停車(chē)問(wèn)題，這種停車(chē)庫(kù)容量大、占地少、自動(dòng)化程度高，是解決目前城市停車(chē)問(wèn)題的有效途徑。在國(guó)內(nèi)，機(jī)械式停車(chē)庫(kù)在一些大、中型城市也開(kāi)始初顯端倪，但還處于起步階段，跟國(guó)外同行相比還存在著較大的差距。以北京為例，停車(chē)位缺口就在幾十萬(wàn)個(gè)以上，因此，只要有完善配套的管理法規(guī)和促進(jìn)機(jī)械式停車(chē)庫(kù)發(fā)展的措施，機(jī)械式停車(chē)庫(kù)在我國(guó)將有著很廣闊的發(fā)展前景。

1 機(jī)械式停車(chē)庫(kù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文著重闡述機(jī)械式停車(chē)庫(kù)水平驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)。機(jī)械式停車(chē)庫(kù)的平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過(guò)變頻器控制傳送裝置運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)穩(wěn)定、準(zhǔn)確地自動(dòng)存車(chē)和取車(chē)功能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于用1臺(tái)變頻器控制3臺(tái)不同容量的電機(jī)順序運(yùn)行，并用RS 485通訊完全實(shí)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(shí)還使控制線的數(shù)量降到最低。

如圖1所示為機(jī)械式車(chē)庫(kù)的水平x軸、y軸示意圖，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程:首先，司機(jī)駕駛汽車(chē)行駛到圓盤(pán)上，隨后司機(jī)下車(chē)離開(kāi)，圓盤(pán)正向旋轉(zhuǎn)90°，使車(chē)尾面向軌道，以便取車(chē)時(shí)直接開(kāi)出車(chē)庫(kù)；然后，搬運(yùn)小車(chē)(如圖2所示)沿y軸縱向運(yùn)行到汽車(chē)底盤(pán)下面，精確停車(chē)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(chē)抬離地面；接著，搬運(yùn)小車(chē)運(yùn)行到搬運(yùn)大車(chē)上，大車(chē)沿x軸方向運(yùn)行到相應(yīng)的車(chē)位面前；最后，搬運(yùn)小車(chē)沿y軸運(yùn)行到車(chē)位上，梳齒下降，把汽車(chē)降到車(chē)位面上，梳齒收回，小車(chē)從汽車(chē)底部退出返回到搬運(yùn)大車(chē)上，大車(chē)沿x軸退回到圓盤(pán)面前，至此存車(chē)完畢，等待下次存車(chē)或是取車(chē)。

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(pán)輸入提供人機(jī)交互控制功能。用交流變頻調(diào)速器通過(guò)調(diào)頻控制三相交流異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度，再通過(guò)限位開(kāi)關(guān)和電感式行程開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)精密定位。

2 水平驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 器件設(shè)備選型

當(dāng)前，運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域大多采用PLC可編程邏輯控制器其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，但他的靈活性不高，功能受價(jià)格限制比較大。隨著近幾年嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越多的嵌入式處理器應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性好、價(jià)格便宜。

LPC2210是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(gè)32位定時(shí)器，8路10位ADC，PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使他們特別適用于工業(yè)控制系統(tǒng)。通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口可將存儲(chǔ)器配置成4組，每組的容量高達(dá)16 MB，數(shù)據(jù)寬度為8/16/32 b；EmbeddedICE-RT接口使能斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)；當(dāng)前臺(tái)任務(wù)使用片內(nèi)RealMonitor軟件調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)執(zhí)行；多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I(mǎi)2C接口(400 kb/s)和2個(gè)SPI接口；多達(dá)76個(gè)通用I/O口(可承受5 V電壓)，12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳(EIN和CAP功能)通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)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(mén)子通用型變頻器MM440，系統(tǒng)涉及3個(gè)交流異步電機(jī)，容量分別是5.5 kW，3 kW和1.5 kW。容量雖然不同，但由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程是順序執(zhí)行的，所以為了節(jié)省成本，設(shè)計(jì)用一個(gè)容量為5.5 kW的變頻器控制3臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行。MM440變頻器由微處理器控制，采用具有現(xiàn)代先進(jìn)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(yùn)行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開(kāi)關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲。同時(shí)，MM440具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，可以用于高級(jí)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 弱電部分設(shè)計(jì)

以LPC2210為處理器的主控制板，通過(guò)I/O口輸出，經(jīng)過(guò)光電隔離和驅(qū)動(dòng)電路，控制繼電器，進(jìn)而吸合相應(yīng)的接觸器選通相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行和電機(jī)抱閘工作；通過(guò)I/O口輸入，經(jīng)過(guò)光電隔離采集電感式傳感器和限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，與變頻器組合控制運(yùn)行軌跡；LPC2210通過(guò)I2C總線接口控制ZLG7290按鍵芯片，通過(guò)總線接口連接液晶控制器，完成存取車(chē)的功能設(shè)定；系統(tǒng)前向通道的關(guān)鍵在于串行通訊，對(duì)變頻器的控制完全通過(guò)串行通訊，使控制信號(hào)數(shù)量降到最低，簡(jiǎn)單高效。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2.2 強(qiáng)電部分設(shè)計(jì)

強(qiáng)電部分硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，應(yīng)用接觸器組和變頻器控制電機(jī)的選通和運(yùn)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(shè)備相匹配。本系統(tǒng)涉及到需要設(shè)置的參數(shù)見(jiàn)表1。

先用BOP基本參數(shù)設(shè)置面板調(diào)試，使大車(chē)電機(jī)、圓盤(pán)電機(jī)和小車(chē)電機(jī)的運(yùn)行滿足如圖5所示的運(yùn)行特性曲線。

3臺(tái)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)單獨(dú)設(shè)置，不同的工況要求不同的運(yùn)行頻率與運(yùn)行時(shí)間。陰影部分面積為行程。運(yùn)行到t1時(shí)，升速階段結(jié)束，開(kāi)始勻速運(yùn)行；運(yùn)行到t2時(shí)，接收到電感式行程開(kāi)關(guān)的返回信號(hào)，開(kāi)始按設(shè)定曲線減速；運(yùn)行到頻率f2時(shí)，慢速爬行；在t4時(shí)刻，觸碰限位開(kāi)關(guān)，首先利用電子制動(dòng)裝置制動(dòng)，然后吸合抱閘裝置停車(chē)。

電機(jī)的控制方式采用常規(guī)V/F控制。由于工控現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和機(jī)械加工精度問(wèn)題，有時(shí)候致使原來(lái)恒定負(fù)載出現(xiàn)了變化的可能，因此當(dāng)V/F控制不能滿足要求時(shí)，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(diǎn)：

(1) 負(fù)載變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡時(shí)間短 (抗干擾性能好)；

(2) 可以在最大可調(diào)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載下加速和制動(dòng)；

(3) 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的控制與速度無(wú)關(guān)；

(4) 在 0 速時(shí)仍然可以保持全轉(zhuǎn)矩輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 USS協(xié)議

對(duì)變頻器的控制，考慮到為了節(jié)省資源，減少信號(hào)線的數(shù)量，用1臺(tái)變頻器控制3臺(tái)電機(jī)，所以通過(guò)RS 485通訊對(duì)變頻器進(jìn)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(lái)確定訪問(wèn)的方法，主站根據(jù)通訊報(bào)文中的地址字符來(lái)選擇要傳輸數(shù)據(jù)的從站，在主站沒(méi)有要求他進(jìn)行通訊時(shí)，從站本身不能首先發(fā)送數(shù)據(jù)。通訊報(bào)文的結(jié)構(gòu)如下：

每條報(bào)文都是字符STX(=02hex)開(kāi)始，接著是長(zhǎng)度的說(shuō)明(LEG)和地址字節(jié)(ADR)，然后是采用的數(shù)據(jù)字符，報(bào)文以數(shù)據(jù)塊的檢驗(yàn)符(BCC)結(jié)束。

有效的數(shù)據(jù)塊分成兩個(gè)區(qū)域，即PKW區(qū)(參數(shù)識(shí)別ID-數(shù)值區(qū))和PZD區(qū)(過(guò)程數(shù)據(jù))，如下所示：

PKW區(qū)前兩個(gè)字的信息是關(guān)于主站請(qǐng)求的任務(wù)(任務(wù)識(shí)別標(biāo)記ID)或應(yīng)答報(bào)文的類(lèi)型(應(yīng)答識(shí)別標(biāo)記ID)。PKW區(qū)的第3、第4個(gè)字是被訪問(wèn)的參數(shù)的數(shù)值。

PZD區(qū)是為控制和監(jiān)測(cè)變頻器而設(shè)計(jì)的，MM440通常采用的是2個(gè)字長(zhǎng)的PZD。PZD任務(wù)報(bào)文的第一個(gè)字是變頻器的控制字(STW)，第二個(gè)字是主設(shè)定值(HSW)，即主頻率設(shè)定值。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通常控制過(guò)程都存在一些輸入，他們可以將該過(guò)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(gè)狀態(tài)的輸入。現(xiàn)在假設(shè)在模型中，過(guò)程(程序流)的運(yùn)行可以被認(rèn)為是機(jī)器產(chǎn)生狀態(tài)的過(guò)程，程序流可以簡(jiǎn)單地通過(guò)內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換(從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài))進(jìn)行建模，這就是所謂的有限狀態(tài)機(jī)模型。

對(duì)C函數(shù)進(jìn)行狀態(tài)建模，該函數(shù)具有4個(gè)有限狀態(tài)。“空閑”、“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(shí)，來(lái)自該狀態(tài)的輸出保存在堆棧中。

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

(3) 當(dāng)指令到達(dá)返回指令時(shí)，就會(huì)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(kāi)始向空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)運(yùn)行的流程如系統(tǒng)介紹中所述，如圖6所示。

其特點(diǎn)是在一個(gè)進(jìn)程(存車(chē)或取車(chē))當(dāng)中動(dòng)作必須是順序執(zhí)行的，先后次序不得顛倒，而在進(jìn)程間則是根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)度的。因此，本系統(tǒng)軟件模型可采用有狀態(tài)機(jī)模型，每一個(gè)運(yùn)行動(dòng)作看作是一個(gè)狀態(tài)，系統(tǒng)分存車(chē)、取車(chē)、測(cè)試等幾個(gè)任務(wù)進(jìn)程。通過(guò)鍵盤(pán)和液晶界面輪詢(xún)，每個(gè)用戶輸入自己的ID，選擇各自需要的功能(即任務(wù))，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)標(biāo)志位運(yùn)行相應(yīng)的狀態(tài)并轉(zhuǎn)換，完成功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前停車(chē)庫(kù)的現(xiàn)狀，提出了應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)和串行通訊驅(qū)動(dòng)機(jī)械式停車(chē)庫(kù)水平運(yùn)行的方案，并進(jìn)行了具體實(shí)現(xiàn)。其中ARM7處理器完成軟件算法、核心控制和信號(hào)檢測(cè)的功能，RS 485通訊完成一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電機(jī)的功能。本文著重介紹了基于LPC2210的機(jī)械式停車(chē)庫(kù)水平驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，該方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)資源豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)，友好的人機(jī)交互界面，串行通訊控制降低了成本，布線簡(jiǎn)單，對(duì)變頻器功能設(shè)置靈活全面。此停車(chē)庫(kù)節(jié)省空間、人力、時(shí)間，適合大城市停車(chē)用地日益緊張的現(xiàn)狀，有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著人們生活水平的日益提高，都市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，汽車(chē)人均占有量的增加，機(jī)械式停車(chē)庫(kù)將會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景。[LL]

參 考 文 獻(xiàn)

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

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

［3］[印]巴拉古魯薩米.標(biāo)準(zhǔn)C程序設(shè)計(jì)[M].金名，張長(zhǎng)富，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

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

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

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

作者簡(jiǎn)介

賀 陳 男，1983年出生，北京市人，碩士研究生。主要從事檢測(cè)與自動(dòng)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(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”