基于ＡＲＭ７ ＬＰＣ２２１０的機械式停車庫水平驅動的研究
2008-04-12 00:00:00賀陳王廣生李響
現代電子技術 2008年1期
摘 要：停車場在現實生活中隨處可見，機械式停車庫的特點在于更能節省空間，安全、快捷、方便，適應現代化都市的節奏。通過對ARM LPC2210和西門子變頻器MM440的研究，介紹了一種基于LPC2210和USS通訊協議的機械式停車庫的水平驅動的設計原理與具體實現。通過使用外圍接口RS 485通訊進行數據傳輸和傳感器信息反饋，使一臺變頻器能夠控制三臺電機，提高了系統的穩定性和數據傳輸的抗干擾性，降低了成本和布線數量，實現了車庫的穩定運行和精確定位。
關鍵詞：機械式停車庫；LPC2210；MM440；RS 485串行通訊；USS協議
中圖分類號：TP33 文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2008)0117403
Research of the Mechanical Carport Level Driver Based on ARM7 LPC2210
HE Chen1，WANG Guangsheng1，LI Xiang2
(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
隨著我國國民經濟的快速發展，城市的規模在不斷擴大，汽車占有量急劇增加，城市交通問題日益突出。
在國外，城市中心地區主要是采用機械式停車庫解決停車問題，這種停車庫容量大、占地少、自動化程度高，是解決目前城市停車問題的有效途徑。在國內，機械式停車庫在一些大、中型城市也開始初顯端倪，但還處于起步階段，跟國外同行相比還存在著較大的差距。以北京為例，停車位缺口就在幾十萬個以上，因此，只要有完善配套的管理法規和促進機械式停車庫發展的措施，機械式停車庫在我國將有著很廣闊的發展前景。
1 機械式停車庫系統簡介
本文著重闡述機械式停車庫水平驅動的設計與具體實現。機械式停車庫的平面結構圖如圖1所示。通過變頻器控制傳送裝置運行，實現汽車穩定、準確地自動存車和取車功能。
系統設計的創新之處在于用1臺變頻器控制3臺不同容量的電機順序運行，并用RS 485通訊完全實現所有控制功能和變頻器的參數輸入。這樣減少變頻器的使用，既可以節省成本，同時還使控制線的數量降到最低。
如圖1所示為機械式車庫的水平x軸、y軸示意圖，系統運行過程:首先，司機駕駛汽車行駛到圓盤上，隨后司機下車離開，圓盤正向旋轉90°，使車尾面向軌道，以便取車時直接開出車庫；然后，搬運小車(如圖2所示)沿y軸縱向運行到汽車底盤下面，精確停車后梳齒(如圖2所示的柵形齒條)伸出至輪胎下面，梳齒提升，把汽車抬離地面；接著，搬運小車運行到搬運大車上，大車沿x軸方向運行到相應的車位面前；最后，搬運小車沿y軸運行到車位上，梳齒下降，把汽車降到車位面上，梳齒收回，小車從汽車底部退出返回到搬運大車上，大車沿x軸退回到圓盤面前，至此存車完畢，等待下次存車或是取車。
本系統是基于ARM處理器的微控制系統，配合液晶顯示和鍵盤輸入提供人機交互控制功能。用交流變頻調速器通過調頻控制三相交流異步電動機運行速度，再通過限位開關和電感式行程開關的實時檢測，實現精密定位。
2 水平驅動系統的硬件設計與實現
2.1 器件設備選型
當前，運動控制領域大多采用PLC可編程邏輯控制器其設計簡單、穩定性好，但他的靈活性不高，功能受價格限制比較大。隨著近幾年嵌入式系統的發展，越來越多的嵌入式處理器應用于工業控制領域，功能強大、可擴展性好、價格便宜。
LPC2210是基于一個支持實時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32位定時器，8路10位ADC，PWM輸出以及多達9個外部中斷使他們特別適用于工業控制系統。通過外部存儲器接口可將存儲器配置成4組，每組的容量高達16 MB，數據寬度為8/16/32 b；EmbeddedICE-RT接口使能斷點和觀察點；當前臺任務使用片內RealMonitor軟件調試時，中斷服務程序可繼續執行；多個串行接口，包括2個16C550工業標準UART、高速I2C接口(400 kb/s)和2個SPI接口；多達76個通用I/O口(可承受5 V電壓)，12個獨立外部中斷引腳(EIN和CAP功能)通過片內PLL可實現最大為60 MHz的CPU操作頻率，片內晶振頻率范圍1~30 MHz。
變頻器采用西門子通用型變頻器MM440，系統涉及3個交流異步電機，容量分別是5.5 kW，3 kW和1.5 kW。容量雖然不同，但由于運動過程是順序執行的，所以為了節省成本，設計用一個容量為5.5 kW的變頻器控制3臺電機的運行。MM440變頻器由微處理器控制，采用具有現代先進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行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調制的開關頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。同時，MM440具有全面而完善的控制功能，在設置相關參數后，可以用于高級的電動機控制系統。
2.2 系統硬件設計
2.2.1 弱電部分設計
以LPC2210為處理器的主控制板，通過I/O口輸出，經過光電隔離和驅動電路，控制繼電器，進而吸合相應的接觸器選通相應的電機運行和電機抱閘工作；通過I/O口輸入，經過光電隔離采集電感式傳感器和限位開關信號，與變頻器組合控制運行軌跡；LPC2210通過I2C總線接口控制ZLG7290按鍵芯片，通過總線接口連接液晶控制器，完成存取車的功能設定；系統前向通道的關鍵在于串行通訊，對變頻器的控制完全通過串行通訊，使控制信號數量降到最低，簡單高效。硬件結構圖如圖3所示。
2.2.2 強電部分設計
強電部分硬件結構圖如圖4所示，應用接觸器組和變頻器控制電機的選通和運行。
MM440變頻器可以利用BOP基本操作板修改參數，使變頻器與設備相匹配。本系統涉及到需要設置的參數見表1。
先用BOP基本參數設置面板調試，使大車電機、圓盤電機和小車電機的運行滿足如圖5所示的運行特性曲線。
3臺電機運行參數單獨設置，不同的工況要求不同的運行頻率與運行時間。陰影部分面積為行程。運行到t1時，升速階段結束，開始勻速運行；運行到t2時，接收到電感式行程開關的返回信號，開始按設定曲線減速；運行到頻率f2時，慢速爬行；在t4時刻，觸碰限位開關，首先利用電子制動裝置制動，然后吸合抱閘裝置停車。
電機的控制方式采用常規V/F控制。由于工控現場的環境和機械加工精度問題，有時候致使原來恒定負載出現了變化的可能，因此當V/F控制不能滿足要求時，采用不帶速度編碼器的矢量控制，矢量控制具有以下優點：
(1) 負載變化時達到穩態的過渡時間短 (抗干擾性能好)；
(2) 可以在最大可調轉矩的負載下加速和制動；
(3) 驅動轉矩和制動轉矩的控制與速度無關；
(4) 在 0 速時仍然可以保持全轉矩輸出。
3 系統軟件設計
3.1 USS協議
對變頻器的控制，考慮到為了節省資源，減少信號線的數量，用1臺變頻器控制3臺電機，所以通過RS 485通訊對變頻器進行控制，采用通用的串行接口協議。
通用的串行接口協議(USS)按照串行總線的主-從通訊原理來確定訪問的方法，主站根據通訊報文中的地址字符來選擇要傳輸數據的從站，在主站沒有要求他進行通訊時，從站本身不能首先發送數據。通訊報文的結構如下：
每條報文都是字符STX(=02hex)開始，接著是長度的說明(LEG)和地址字節(ADR)，然后是采用的數據字符，報文以數據塊的檢驗符(BCC)結束。
有效的數據塊分成兩個區域，即PKW區(參數識別ID-數值區)和PZD區(過程數據)，如下所示：
PKW區前兩個字的信息是關于主站請求的任務(任務識別標記ID)或應答報文的類型(應答識別標記ID)。PKW區的第3、第4個字是被訪問的參數的數值。
PZD區是為控制和監測變頻器而設計的，MM440通常采用的是2個字長的PZD。PZD任務報文的第一個字是變頻器的控制字(STW)，第二個字是主設定值(HSW)，即主頻率設定值。
3.2 系統軟件設計
通常控制過程都存在一些輸入，他們可以將該過程的狀態轉變為新的狀態，并產生輸出，而這些輸出也可以是下一個狀態的輸入。現在假設在模型中，過程(程序流)的運行可以被認為是機器產生狀態的過程，程序流可以簡單地通過內部狀態轉換(從一個狀態到另一個狀態)進行建模，這就是所謂的有限狀態機模型。
對C函數進行狀態建模，該函數具有4個有限狀態。“空閑”、“調用”、“執行”及“返回”。
(1) 從“空閑”狀態到“調用”狀態的轉換發生在程序中出現函數調用時，來自該狀態的輸出保存在堆棧中。
(2) 在“執行”狀態時，指令執行，且程序計數器隨著程序流發生改變。
(3) 當指令到達返回指令時，就會發生向“返回”狀態的轉換。
(4) 從堆棧中取回保存的狀態和數值之后，就開始向空閑狀態轉換。
本系統運行的流程如系統介紹中所述，如圖6所示。
其特點是在一個進程(存車或取車)當中動作必須是順序執行的，先后次序不得顛倒，而在進程間則是根據需要進行調度的。因此，本系統軟件模型可采用有狀態機模型，每一個運行動作看作是一個狀態，系統分存車、取車、測試等幾個任務進程。通過鍵盤和液晶界面輪詢，每個用戶輸入自己的ID，選擇各自需要的功能(即任務)，系統會通過標志位運行相應的狀態并轉換，完成功能。
4 結 語
本文針對當前停車庫的現狀，提出了應用嵌入式系統和串行通訊驅動機械式停車庫水平運行的方案，并進行了具體實現。其中ARM7處理器完成軟件算法、核心控制和信號檢測的功能，RS 485通訊完成一臺變頻器控制多臺電機的功能。本文著重介紹了基于LPC2210的機械式停車庫水平驅動的設計，該方案設計簡潔，系統資源豐富，可擴展性強，友好的人機交互界面，串行通訊控制降低了成本，布線簡單，對變頻器功能設置靈活全面。此停車庫節省空間、人力、時間，適合大城市停車用地日益緊張的現狀，有著廣泛的應用前景。隨著人們生活水平的日益提高，都市現代化建設步伐的加快，汽車人均占有量的增加，機械式停車庫將會有更加廣闊的發展前景。[LL]
參 考 文 獻
［1］周立功.ARM與嵌入式系統基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004.
［2］馬寧.S7-300 PLC和MM440變頻器的原理與應用[M].北京:機械工業出版社，2006.
［3］[印]巴拉古魯薩米.標準C程序設計[M].金名，張長富，譯.北京:清華大學出版社，2006.
［4］李佳.ARM系列處理器應用技術完全手冊[M].北京:人民郵電出版社，2006.
［5］Philips公司.ARM7TDMIS(Rev4)技術參考手冊[Z].
［6］Philips公司.PHILIPS單片16/32位微控制器LPC2210數據手冊[Z].
作者簡介
賀 陳 男，1983年出生，北京市人，碩士研究生。主要從事檢測與自動化裝置方向的研究。
注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”
