基于FPGA的垂直循環(huán)式立體車庫智能測控系統(tǒng)

史 偉

安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 淮南 232000

0 引言

隨著近年來經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國人均汽車擁有量逐漸增大，需要的停車數(shù)量逐年增加[1]。相比于地面停車場，立體車庫能夠充分利用地面以上空間，有占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、操作方便、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，立體停車設(shè)備可以有效解決人們生活中停車問題[2]。隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，停車設(shè)備采用人們習(xí)慣的二維碼支付方式[3]。通過安裝在車庫底部的射頻識別（RFID）裝置與每個車位上的電子標(biāo)簽之間的信息交互，控制系統(tǒng)可以識別不同車位[4]。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件使用C#語言編寫[5]。FPGA在下位機(jī)的程序運(yùn)行上具有多線程并行處理的優(yōu)點(diǎn)，通信能力好并且抗干擾能力強(qiáng)。由于LabVIEW開發(fā)FPGA相比于利用VHDL語言或Verilog語言進(jìn)行代碼編寫FPGA開發(fā)模式更加易于編程[6]，故采用LabVIEW for FPGA工具開發(fā)垂直循環(huán)式立體車庫控制系統(tǒng)。

1 測控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所述立體車庫采用FPGA作為核心控制器[7]，控制系統(tǒng)硬件連接圖如圖1所示。控制系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)用戶自動存取車外，還要保證自動收取停車費(fèi)、可視化管理、車輛入庫管理等。控制系統(tǒng)智能化是立體停車設(shè)備未來發(fā)展趨勢，應(yīng)考慮提高控制系統(tǒng)智能化程度。

圖1 控制系統(tǒng)硬件圖

1.1 硬件組成

垂直循環(huán)式立體車庫的硬件部分由上位機(jī)工業(yè)觸摸屏、TTQ甜甜圈相機(jī)、黑金AX7035開發(fā)板、拉卡拉收款設(shè)備、臺達(dá)變頻器CH200、三相交流減速電動機(jī)、報警裝置、16路繼電器、傳感器等組成。

1.2 測控系統(tǒng)工作原理

立體車庫根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行判斷，進(jìn)而控制車庫旋轉(zhuǎn)、自動收款等功能。控制程序主要由車庫旋轉(zhuǎn)控制、停車費(fèi)收款和讀車位號子程序組成。另外還有初始化、安全防護(hù)檢測等功能，如通過光電傳感器判斷車位是否有車，通過監(jiān)控設(shè)備判斷車庫安全與否等。控制系統(tǒng)程序運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)程序運(yùn)行流程圖

2 車庫旋轉(zhuǎn)控制

控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時，F(xiàn)PGA通過繼電器控制變頻器正轉(zhuǎn)(FWD)、反轉(zhuǎn)(REV)與公共端(DCM)的連接控制立體車庫旋轉(zhuǎn)。用戶在取車時，啟動車庫旋轉(zhuǎn)，之后自動將一個空閑車位旋轉(zhuǎn)至車庫底層，以供下一個用戶存車。

2.1 停車位編號與識別

串口通信是一種總線通訊方式，收發(fā)相互獨(dú)立，可以同時進(jìn)行，收發(fā)雙方按照約定的波特率可以完成數(shù)據(jù)的相互傳輸。FPGA的運(yùn)行頻率高，可以通過時鐘軟件分頻的方式實(shí)現(xiàn)不同的波特率。由于FPGA芯片內(nèi)部沒有串口收發(fā)器，于是在FPGA內(nèi)部模擬串口收發(fā)器協(xié)議，外部加一個電平轉(zhuǎn)換芯片可以實(shí)現(xiàn)串口通訊[8]。

車庫車位識別原理為：12個規(guī)格相同但內(nèi)部載有不同數(shù)據(jù)的電子標(biāo)簽安裝在12個車位上，RFID裝置安裝在車庫底部橫梁上，每個車位轉(zhuǎn)到底部時與RFID裝置形成掃描區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)的電子標(biāo)簽都可以被射頻識別裝置掃描到[9]。FPGA開發(fā)板自定義串口收發(fā)引腳與外接的RFID裝置的收發(fā)引腳連接，在用戶存取車時，射頻識別裝置由FPGA發(fā)送讀標(biāo)簽命令，在掃描區(qū)范圍內(nèi)的標(biāo)簽把自身數(shù)據(jù)發(fā)送給RFID裝置，數(shù)據(jù)由自定義串口緩沖傳給FPGA開發(fā)板自身的標(biāo)準(zhǔn)串口線程緩沖，從而傳給FPGA。數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA反饋至監(jiān)控系統(tǒng)再進(jìn)行處理。FPGA與RFID串口通信線程如圖3所示。

圖3 FPGA與RFID串口通訊程序

2.2 載車板停放到位檢測

在控制系統(tǒng)中，接近開關(guān)安裝在載車庫入口的懸梁上。當(dāng)載車板經(jīng)過或到達(dá)車庫底部時，通過提升鏈板觸發(fā)懸梁上的接近開關(guān)，觸發(fā)數(shù)目由PFGA采集，程序框圖如圖4所示。當(dāng)FPGA采集的觸發(fā)數(shù)目與工控機(jī)內(nèi)部計(jì)算的對應(yīng)車位旋轉(zhuǎn)至底部數(shù)目相等時，車庫轉(zhuǎn)動結(jié)束，通過這種方式實(shí)現(xiàn)對車庫旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確控制。

圖4 接近開關(guān)計(jì)數(shù)程序框圖

2.3 車庫旋轉(zhuǎn)控制工作原理

在立體車庫控制系統(tǒng)中，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過千兆以太網(wǎng)，經(jīng)過串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊傳輸命令給FPGA，下位機(jī)FPGA經(jīng)過繼電器控制變頻器的通斷，通過這種方式實(shí)現(xiàn)車庫的旋轉(zhuǎn)方向和啟停操控，程序框圖如圖5所示[10]。

圖5 FPGA控制變頻器的控制端子通斷程序

3 停車費(fèi)支付功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)本立體車庫智能控制系統(tǒng)的要求，用戶只需在掃碼終端掃碼范圍內(nèi)出示付款碼，即可自動支付車費(fèi)。掃碼收款終端有22個按鍵，是指令和數(shù)據(jù)的輸入裝置，TM1721電路板如圖6所示。

圖6 TM1721電路板

停車費(fèi)用由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)用戶存車時間與系統(tǒng)內(nèi)取車時間進(jìn)行做差乘以每分鐘費(fèi)用獲得，費(fèi)用通過以太網(wǎng)線經(jīng)過串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊傳輸給FPGA，模擬人工手動輸入費(fèi)用給收款矩陣鍵盤。客戶成功支付停車費(fèi)用后，此時車庫開始旋轉(zhuǎn)，將對應(yīng)車位旋轉(zhuǎn)到底部，用戶進(jìn)入車庫取走車輛。FPGA模擬人工輸入收款金額百位數(shù)字程序框圖如圖7所示。

圖7 FPGA輸入收款金額百位數(shù)字程序

4 車庫安全防護(hù)設(shè)計(jì)

為了提高控制系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，在車庫內(nèi)設(shè)置光電傳感器，F(xiàn)PGA檢測到車庫內(nèi)有異常時，經(jīng)設(shè)定的程序邏輯判斷后控制車庫立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)并通過聲光報警器警示用戶車庫處于危險狀態(tài)。光電傳感器檢測車庫內(nèi)安全環(huán)境程序如圖8所示。該立體車庫控制系統(tǒng)車庫入口處布置地磁傳感器[11]，當(dāng)用戶存車入庫時，車輛本身作用引起車庫周圍磁場變化，該變化被地磁傳感器采集，通過傳輸給FPGA進(jìn)而控制車庫閘門的開啟和關(guān)閉。

圖8 車庫安全環(huán)境檢測

5 車庫上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在上位機(jī)界面設(shè)計(jì)中，設(shè)置12個控件用于顯示用戶存車時的照片，當(dāng)某一車位空時會顯示默認(rèn)照片，并在控件下面設(shè)置對應(yīng)的取車按鈕。用戶界面有存取車按鈕和顯示車輛照片窗口，如圖9所示。

圖9 普通用戶界面

用戶在工業(yè)觸摸屏界面點(diǎn)存車按鈕時，啟動攝像頭拍照，照片通過USB線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行保存，方便用戶取車時確認(rèn)自己的車位。

6 控制系統(tǒng)測試

6.1 實(shí)驗(yàn)室模擬

測試包括控制系統(tǒng)的可行性和可靠性試驗(yàn)，包括對硬件和軟件的安裝以及功能驗(yàn)證[12]，對實(shí)際立體車庫的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要的作用。實(shí)驗(yàn)室模擬的控制系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 模擬的控制系統(tǒng)

6.2 現(xiàn)場聯(lián)調(diào)

1）停車位編號準(zhǔn)確識別 實(shí)際測試時，電磁波和車庫自身的鋼材質(zhì)之間有反射作用，導(dǎo)致射頻識別的距離小于3 cm。將普通標(biāo)簽替換成抵抗金屬干擾的被動式智能標(biāo)簽，通過現(xiàn)場聯(lián)調(diào)，射頻識別的長度增加到10 cm，滿足實(shí)際使用要求。識別距離測量如圖11所示。

圖11 識別距離測量

2）車位異常檢測和初始化 車庫實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，如果異常斷電，車庫中的車位可能會停錯位置。為了將車位斷電情況下歸正，在工控機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)置車庫初始化、正方向轉(zhuǎn)動一次、反方向轉(zhuǎn)動一次按鈕，管理員界面如圖12所示。當(dāng)車庫在異常情況下時，添加手動操作車庫功能，方便車庫調(diào)試。

圖12 管理員監(jiān)視界面

7 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的垂直循環(huán)式立體車庫智能測控系統(tǒng)，采用FPGA作為主控芯片實(shí)現(xiàn)硬件功能，用C#語言實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。LabVIEW for FPGA軟件具有同時處理多線程的功能，立體車庫控制系統(tǒng)的智能化與自動化水平得到顯著提升。通過分析論證和實(shí)物聯(lián)調(diào)驗(yàn)證，滿足使用場景要求。