基于CPLD的立体停车库控制系统的研究与设计

王忠诚，贺云波，廖俊鸿，黎炜天

(广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006)

0 引言

最近十年来，国内对立体停车设备的需求大增，立体停车设备产业的发展呈现越来越快的趋势。相较于传统的停车场，立体停车库能充分利用土地资源且配置简单，操作方便。目前在市场上常见的立体停车库类型主要有简易升降式立体车库、垂直升降式立体车库、垂直循环式立体车库、升降横移式立体车库、平面移动式立体车库和巷道堆垛式立体车库[1-3]。由于升降横移式立体停车库对场地的要求不高，只要有平面场地就可进行建设，适应性强且可大可小，建设的成本很低，结构也相对简单，因此在市场上占有很高的份额。

本文以一个六层七车位的升降横移式立体停车库作为研究对象，采用了基于CPLD(复杂可编程逻辑器件)的控制系统来完成停车库所有的逻辑控制。同时，给出了控制系统的总体方案设计、硬件和控制过程的设计。

1 六层升降横移式立体车库的运行原理及控制系统方案设计

1.1 升降横移式立体车库的运行原理

本文选用的六层七车位升降横移式立体停车库的车库结构是：第六层有两个停车位且只能做升降运动；其他五层都只有一个车位，其中二至五层的停车位既可做升降运动也可做横移运动，第一层的车位只能做横移运动。图1为六层升降横移式立体停车库的实物图。

图1 六层升降横移式立体停车库实物图

该六层七车位车库控制系统的具体运行原理如下：第一层的车位用户可以直接将车辆停放在上面无需进行载车板的运动；当存取第二层停车位的车辆时，控制系统需要判断第一层停车位是否在第二层车位的下方，如果是则先对第一层车位进行横移运动，挪出空位后再对第二层车位进行升降运动，否则，则第二层车位可以直接下降到一层，用户此时可以进行存取车；当存取第三层到第六层的车位时运行原理与存取第二层相同，如果下方有其他车位在同一升降通道，则需要将其横移开，将升降通道打开后，再将目标车位下降到一层。

1.2 升降横移式立体车库控制系统方案设计

升降横移式立体停车库控制系统的主要结构包括CPLD控制核心、行程限位开关传感器、光电传感器、上位机交互界面、IC磁卡机、指纹打卡机等其他输入输出设备。立体车库控制系统结构框图如图2所示。

图2 升降横移式立体车库控制系统结构框图

本文通过对被控对象的控制要求分析，制定了停车库控制系统的总体设计方案。首先，确定了停车库控制系统的输入输出设备，对控制系统的核心控制单元CPLD进行选型并对外围的硬件电路进行设计。同时，对升降横移式立体停车库控制流程进行分析并对控制程序进行设计。当控制系统硬件和软件程序设计完成后，经验证没有错误，然后再对停车库控制系统进行模拟调试和现场联机调试，如果符合控制逻辑要求，现场车库控制系统运行稳定、可靠，则确定了停车库控制系统方案设计的可行性。升降横移式立体车库控制系统总体方案设计流程如图3所示。

图3 立体车库控制系统总体方案设计流程

2 升降横移式立体停车库控制系统硬件电路设计

2.1 CPLD的选型

CPLD采用Altera公司生产的MAX V系列EM1270ZT144C5芯片。该芯片的I/O管脚端口数为144个，共有1 270个逻辑宏单元，逻辑控制功能非常强大；芯片之间的引脚延迟最小可以达到3 ns,同时兼容5 V和3.3 V的工作电压。另外，该芯片还具有在系统可编程ISP(In System Program)的功能，就算整个硬件系统已经设计完成，也可以通过JTAG重新配置接口，方便了对系统的修改与升级[4]。

2.2 CPLD控制系统主要外围电路设计

CPLD控制系统外围电路主要包括电源模块、JTAG接口模块、信号隔离电路模块和继电器驱动电路模块。

2.2.1 电源模块

电源模块是整个停车库硬件系统设计中最为关键的一个模块，电源供应是否稳定将直接影响到整个停车库控制系统运行是否稳定、可靠。CPLD控制器硬件电路中各模块需要的工作电压主要为5 V、3.3 V和1.8 V，而外部供应电源是直流开关电源DC 24 V，所以需要进行电源转换电路的设计。为了能够满足硬件系统的功率需求，本文选用了3块电源管理芯片(LM2576HVS、LT1085IT和LT1963AEQ)分别为各模块电路供电。其中，在LM2576HVS电源管理转换电路设计中需加入一个1 A的保险丝，其目的是当整个电路系统出现故障或负载功率过大时能及时断开以保护电路板上其他器件不被烧坏。本文给出了5 V转3.3 V的电压转换电路图，如图4所示。

图4 LT1085IT电压转换电路图

2.2.2 JTAG接口模块

JTAG是一种国际标准的测试协议，主要用于系统的调试接口和复杂芯片内部部件的测试。CPLD支持此接口协议，配有专门的仿真器，通过JTAG接口可以进行系统的调试和下载应用程序到CPLD器件中。本文选用的JTAG接口型号为5103308-1，JTAG接口电路原理图如图5所示。在TDI和TMS引脚端加上拉电阻，其目的是使该引脚在没有驱动的情况下且处于逻辑1状态时可以降低芯片引脚的功耗。

图5 JTAG接口电路原理图

2.2.3 信号隔离电路模块

在CPLD硬件系统中，涉及强电与弱电系统，为了避免内外界干扰，使得传输信号不产生失真，因此本文采用基于光电耦合器的抗干扰电路设计，选用FOD060L型光电耦合器件。光电隔离电路图如图6所示。

图6 光电隔离电路图

2.2.4 继电器驱动电路模块

在升降横移式立体停车库控制系统硬件电路中，通过控制继电器的吸合来驱动电机的运行。一般CPLD芯片的引脚驱动电流很弱，无法直接驱动继电器的吸合来控制电机，因此需要外围的电路设计来增强驱动电流从而驱动继电器工作,本文选用了型号为DMN6040SSD的场效应管来驱动控制继电器的通断，该场效应管的耐压值为60 V，漏极电流可达到5 A。

本文采用泰科公司生产的RM707024继电器来控制升降电机，采用PT371024继电器来控制横移电机。RM707024继电器额定接触电流可达16 A，PT371024继电器额定接触电流可达10 A，两个线圈电压都为24 VDC，继电器驱动电路如图7所示。在继电器线圈两端并联一个续流二极管D1和D2，其作用是保护CPLD芯片，防止继电器在断开时由于电感而产生的高反电动势导致CPLD芯片的损坏。

图7 继电器驱动电路图

3 升降横移式立体车库控制系统软件设计

升降横移式立体停车库控制系统软件设计主要是完成车库存取车的操作，可采用手动控制和自动控制两种控制模式。

该停车库手动控制的软件流程如下：当用户选择了存取车位号后，在上位机操作界面通过按“上、下、左、右”按键就能控制载车板运动到指定的位置。

该停车库自动控制程序流程设计如下：当用户刷卡或指纹进入到自动控制模式后，系统会自动识别判断存取车位下的升降通道是否有空位，如果有则直接进行下降移动，否则则需要将同方位下的其他所有车位载车板横移运动挪出空车位，然后再进行其他相应的运动。具体的自动控制程序流程如图8所示。

图8 自动控制程序流程

4 结论

本文以六层七车位升降横移式立体车库为研究对象，分析了停车库控制系统结构和运行原理，设计了以CPLD为核心的控制系统硬件部分，同时给出了停车库控制程序设计方案。应用CPLD作为车库控制系统的核心处理器，不仅可以降低整个停车库控制系统开发的成本，而且停车库控制系统具备运行稳定、安全可靠、系统易升级维护的特点，很适合城市居民小区的立体车库。对于其他智能立体停车库的开发具有一定的参考价值。