（通信与信息系统专业论文）立体车库控制器设计及其算法研究.pdf

立体车库控制器设计及其算j 去研究中文摘要 立体车库控制器设计及其算法研究 中文摘要 在目前家用小汽车的购买量日益增长、停车拥挤、车位使用昂贵的背景下，立 体车库是解决泊车困难的很好选择。本文设计了升降横移式立体车库控制器，并对 立体车库的车位调度算法进行了深入的研究。 本文首先介绍了立体车库的开发背景和意义，对立体车库控制器的两个主要组 成部分：载车板控制单元和区域控制单元的硬件设计作了详细的阐述。在载车板控 制单元中，分别介绍了主从机通信、输入信号检测、状态显示、手动功能以及电源 的设计方法。在区域控制单元中，分别介绍了处理单元、输入信号检测、看门狗电 路、通信扩展的设计。 立体车库的载车板控制单元和区域控制单元之间的通信采用了主从式结构，设 计了它们之间的通信协议。以此协议为桥梁，分别给出了载车板控制单元和区域控 制单元的软件设计。 立体车库的车位调度算法是一个较为复杂的课题，本文首先采用了一般的路径 搜索算唐。其次，将遗传算法应用于立体车库的最短路径搜索，通过编码、选择、 交叉、变异等一系列操作，能够找到问题的最优解或次优解。最后，在m a t l a b 软件环境下，通过改变遗传算子的参数，对实验的结果进行了分析比较。 关键词：立体车库主从式结构车位调度遗传算法 作者：方二喜 指导教师：陈小平 lf p， t h ed e s l g na n d a l g o m h m s t u d y o f c u b s c p a r k c o n t r o l l e r 。，a b s t r a c t t h e d e s i g na n da l g o r i t h ms t u d yo fc u b i cp a r kc o n t r o l l e r a b s t r a c t w i t hl h e 删i n c r e a s eo f t h e a b i l i t yo f p u r c h a s i n g 湖o f p e o p l e , at r o u b l ep r o b l e m i sc o m i n gf o r t hi n c r g m i n g l yb e c a u s eo f t h ed i f f i c u l t ya n dc o s to f p a r k i n g c u b i cp a r ki sa g o o dw a yt os o l v et h i sp r o b l e m t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g no fu p - d o w nl e r - r i g h t p a r k i n ga n ds t l l d i e st h ed i s p a t c ha l g o r i t h mo f t h ep o s i t i o n f 妇j y , t h eb a c k g r o u n da n dp u r p o o f t h ec u b i cp a r kd e v e l o p m e n ta r ei n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h el o a d i n gb o a r dc o n t r o l l e ra n dt h ea 嘲c o n t r o l l e r i sd i s c u s s e di nd e t a i l s a st ot h el o a d i n gb o a r d p a r t , m a n yd e s i g nm e i t h o d s 狮i n t r o d u c e d , s u c ha 8m a s t e r - s l a v ec o m m u n i c a t i o n , i n p u ts i g n a ld e t e e t i o n , s t a t u sd i s p l a y i n g , m a n u a l a c t i o n , p o w e rs u p p l ya n ds oo i l a l s om a n yd e s i g nm e t h o d sa r ep u tf o r w a r dw h e n i n t r o d u c i n go ft h e 糊p a r t , s u c ha sp r o c e s s i n gu n i t , i n p u ts i g n a ld e t e c t i o n w a t c hd o g c i r c u i t , e x t e n d e dc o m m u n i c a t i o na n ds oo i l s e c o n d l y ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h el o a d i n gb o a r dp a r ta n dt h ea r e ap a r t a d o p t sam a s t e r - s l a v es m l c n 盯e b a s e do nw h m ht h ec o m m u r a c a t l o r lp r o t o c o lb e t w e e n t h e mi sd e v e l o p e d t h es o f t w a r ed e s i g no ft w op a r t si sa l s og w e n r e s p e c t a v e l ymt h e p a p f i t f i i l a l l y ，b e c a u s et h ec u b i c - p a r kd i s p a t c ha l g o r i t h mi sac o m p h c a t e dp r o g r a m ，o n t h eo n eh a n d ，ag e n e r a la l g o r i t h mo fs e a r c h m gp a t hi si n t r o d u c e d o nt h eo t h e rh a n d , t h e b e s tp a t ho ft h ep a r k i n gm 1 1b es o u g h to u tv i at h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) o p e r a t i o no f e n c o d i n g , s e l e c t i o n , c r o s s o v e ra n dm u t a t m n w i t ht h em a t l a bs o f t w a r e , t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sa l e8 1 v e na n dg a sp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d k e yw o r d s ：c u b i cp a r k ，m a s t e r - s l a v es t r u c t u r e ，d i s p a t c ho fp o s i t i o n ， g e n e t i ca l g o r i t h m w r i t t e nb y ：e m tf a n g s u p e 州b y ：x i a o p m gc h e n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 ， f 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：二塑三垒日期：研究生签名： j ：2 童日期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：塑i 盔 日 导师签名_ 互：兰至 日 f 期：趔垒! 一芝 立体车库控制嚣设计及其算法研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的背景和意义 由于“城市化”伴随现代化出现，城市的地块日益紧俏，居住面积日益向高层空 间发展，各国都曾经深刻体会到停车难问题按照发达国家的经验，解决停车难，主 要办法是向空间寻车位的立体车库办法，它包括：1 ) 与高层建筑配套兴建的地下错 层立体化车库，即一方面车库兴建在高层建筑的地表之下，另一方面，地下的车库本 身向下纵深发展而构成多层建筑2 ) 地表之上集中兴建的专业化停车建筑，它们一 般本身就是一个多层的高层建筑，采用盘旋的办法向空中发展。3 ) 机械化立体车库， 其特点是充分利用单位面积上的纵深空间，在普通某一层面建筑的单位空间内利用高 度纵深停放更多的车辆【i l 。 立体停车库是近年来在国内兴起的新项目，随着城市现代化建设进程的加快，以 小汽车为交通工具的普及，停车难的问题在大中城市已越来越突出，尤其是大型公共 消费场所和饭店、宾馆，火车站等，地处闹市，寸如金，停车场向空中发展，已势 在必行。从目j ； 国内的状况来看，开发这一项目主要是电梯生产厂家，其次是建筑机 械生产厂家。立体车库投入的意义，是明显改善各地区交通拥挤和城市地皮紧张的状 况。尽管9 0 年代末立体车库在我国的应用尚处于起步阶段，但随着市场上对大规模 车库需求的出现，2 0 0 0 年以来，机械立体车库开始快步进入房地产配套市场。 机械车库与传统的自然地下车库相比，在许多方面都显示出优越性其一，具有 突出的节地优势机械车库一般不做成套系统，而是以单台集装而成。这样可以充分 发挥其用地少，可化整为零的优势。其= ，可更加有效地保证人身和车辆的安全。从 管理上可以做到彻底的人车分流。其三，可以免除采暖通风设施。运行中的耗电量比 工人管理的地下车库低得多。另外，其取车速度，价格较地下车库均有较大的优势。 1 2 本课题的研究内容 本文以立体车库的快速发展为背景，以升降横移式机械立体车库为例，全面阐述 了立体车库控制器的设计方案，并对车位的调度算法做了深入的研究。所做的工作有 以下几个方面：立体车库的载车板控制单元的硬件、软件设计，区域控制单元的硬件、 立体车库控制器设计及其算法研究第一章绪论 软件设计；立体车库的车位调度算法研究，分别用一般路径搜索算法和遗传算法仿真 来完成。其中，对于遗传算法的基本理论和仿真设计作了详细的阐述，并对实验结果 做出了分析比较。 1 3 论文结构 本论文的结构安排如下： 第一章绪论 第二章立体车库控制器硬件设计 首先介绍了载车板控制单元的主要组成部分：主从机通信，输入信号检测、状态 显示、手动功能、电源部分的硬件连接和相应功能。然后阐述了区域控制单元的主要 组成部分：处理单元、输入信号检测、看门狗电路、初始状态设置及实时时间、输出 控制及通信扩展的硬件连接和相应功能。在功能扩展中，介绍了预留的主控制系统的 设计。 第三章立体车库控制器软件设计 主要介绍了立体车库控制器的载车板控制单元和区域控制单元之间的通信协议 以及各自的软件设计 第四章立体车库车位调度算法研究 对立体车库车位调度算麽分别用两种方法进行研究：一般算法设计和遗传算法设 计。在遗传算法中，分别介绍了遗传算彦的基本理论和遗传算珐在解决车位调度问题 中的应用。最后在m a t l a b 环境下编程，给出了部分实验结果，并对这些结果进行了 分析比较。 第五章结论 立体车库控制器设计及其算法研究第二章立体车库控制器硬件设计 第二章立体车库控制器硬件设计 2 1 立体车库系统简介 立体停车设备主要有以下几种类型：升降横移式、垂直升降式、平面移动式以及 巷道堆垛式等。分别应用于不同的场合和要求，发挥着不可替代的作用，体现出了其 他普通车库所没有的优越性本课题所研究的升降横移式车库具有操作方便、运行速 度快、造价成本低等优点，广泛应用于繁华商业区、住宅小区，大中型大楼地下室等 场合。 机械横移式立体车库主要由以下几个部分组成；钢结构、载车板、传动系统、控 制系统和安全防护系统。本课题主要研究其控制系统和安全防护系统( 软件部分) 的 设计。 立体车库的控制部分由区域控制单元和载车板控制单元组成，主机为区域控制单 元，从机为各载车板控制单元，它们之间采用r s 4 8 5 电路进行串行通信。主从机模拟 如图2 1 所示。 田回曰固圈 夺田田口田 口田曰困 圉2 1 主m 机模拟图 图中以3 层5 列1 3 个车位为例，每个车位上有一个载车板控制单元，区域控制 单元通过r s 4 8 5 总线实现对载车板的命令控制。根据机械设备的设计要求，车库有如 下约束条件：底层为地面层，每个车位都可以直接出车，该层车位只可以左右横移。 中间层车位既可以横移，也可以升降，顶层车位只能升降。所以，整个车库只要空出 两个位置不停放车辆，就可以将任意车位降到第一层。当用户要在某个车位存车或者 立体车库控制器设计及其算法研究第二章立体车库控制器硬件设计 取车时，只要在区域控制单元上进行操作，相应的车位就会按照一定的算法移动到地 面层。 2 2 载车板控制单元 载车板控制单元以m c u ( 单片机) 为核心，接受区域控制单元的指令，驱动载车 板电机动作，回送给区域控制单元本载车板的工作状态，包括载车板的限位信息，设 备异常情况等等。载车板控制单元框图如图2 2 所示，下面介绍其组成和相应功能。 图2 2 栽车板控制单元框图 2 2 1 主从机通信 主从机r s 4 8 5 通信，选用m a x 3 0 8 2 芯片，为8 脚的贴片封装，单5 v 供电。此芯 片采用三线制，半双工工作，两根信号线，一根地线。地线全程接地，可以防止干扰， 提高电磁兼容能力，传输距离可达数百米。m a x 3 0 8 2 的发送和接收功能分别如表2 1 、 表2 2 。 4 立体车库控制器暧计及箕算法研究第二章立体车库控制器硬件设计 表2 1m a x 3 0 8 2 发送功能表 发送 输入输出 r ed ed ib 亿 n 1 1o 1 1o10 oo 高阻态高阻态 1o 断开 表2 2m a x 3 0 8 2 接收功能 接收 输入输出 r ed ea 暑r o o = - 0 0 5 v 1 0= - 0 2 vo 0 开路，短路 1 11 高阻态 1 0 断开 由以上两表可知，m a x 3 0 8 2 在发送数据时，要先将d e 置高电平，若d e 为低 电平，则输出为高阻态或断路状态。在接收数据时，要先将r e 置低电平，若r e 为 高电平，则输出为高阻态或断路状态。所以，在实际应用时，只要格d e 和r e 两个 引脚接在一起，置高电平时，发送数据；置低电平时，接收数据，使整个通信处在半 双工的状态。设计连接电路图如图2 3 所示。 立体车库控制器设计及其算法研究 第二章立体车库控制嚣硬件设计 田2 3m a x 3 0 8 2 连接电路图 2 2 2 输入信号检测 要使整个车库安全可靠地运行，必须先保证每个载车板的安全运行。在载车板控 制单元中设置8 路光耦输入，时刻监测载车板的运行状态，根据这些状态，来决定车 库的下一步动作 1 上、下、左、右限位信号 在每块载车板上都有l 一2 个( 根据载车板所在的层数) 接触式开关，在钢架结 构上有相应的触点与之对应。当载车板移动到相应的位置时，接触式限位开关与触点 发生碰撞，高低电平发生变化，通过光耦p 1 8 1 ，将此信号送给单片机。这样，单片 机就可以根据当前载车板的状态决定车库是否执行下一个命令。 2 电磁铁吸合信号 为了提高车库的安全性，保证在车库误操作的情况下也不会使载车板挤压到汽 车，在上下移动的载车板对应的钢架结构上增加了拖闸。抱闸通过电磁铁的吸合或释 放来控制。例如，当某个车位要执行上移的操作，则首先要把目标位置的电磁铁吸合， 抱闸拉起，取消保险。车位到达目标位置的上限位时，电磁铁释放，抱闸放下来，这 时即使有该车位下移的误操作，也有抱闸来保护，不会挤压到下面车位上的汽车，起 到了保险的作用。 3 升降电机、横移电机吸合信号 载车板的升降和横移是通过电机带动链条滚动来完成的，升降的电机要拖动整个 载车板和汽车的重量，所以功率大，一般选3 k v a 、5 a 以上的电机；而横移电机则 6 立体车库控制嚣谩计及其算往研究 第二章立体车库控制器硬件设计 要使载车板在钢架结构上滑动就可以了，故功率小，选0 2 - 0 5 k v a 、i a 左右的电机。 每块载车板控制单元上有2 路a c 2 2 0 v s a 的继电器输出，分别控制上下、左右电机 控制器，而当电机开始工作时，会有一个吸合信号发送给单片机，单片机收到这个信 号后，就知道电机运行正常，没有发生堵转，车库可以按照程序继续运行 2 2 3 状态显示 载车板控制单元上设置了8 个l e d 状态显示，分别显示车库上升、下降、左移、 右移、通信故障、电机粘连、检修等不同的状态显示这些状态，便于在车库出现故 障时检修的方便，运行到哪一步，显示在什么状态上，可以一目了然地看到车库运行 在什么地方出了问题 2 2 4 手动功能 在车库突然断电或通信发生故障的情况下，整个车库可能会突然停下来。这就需 要每块载车板都具有手动的功能，在区域控制单元不能对其正常控制时，载车板可以 进入检修状态，手动操作载车板的上下左右动作。 手动操作通过5 个拨码开关来控制，分别是检修开关、上、下、左、右开关。在 进行检修操作时，先将正常检修开关拨到检修的位置，然后按照动作要求，完成上 下左右操作。需要指出的是，在进行检修操作时，上下左右限位信号以及电磁铁吸合 信号是同时工作的，即到达某个限位时，载车板会自动停止运行，此时继续拨这个方 向的检修开关时，载车板不会动作，保证了车库的运行安全。 2 2 5 电源部分 工业控制方面的直流电源供压一般为2 4 v ，而载车板控制单元和区域控制单元都 要用到+ 5 v 的电压。所以要将+ 2 4 v 电压转换为稳定的+ 5 v 电压。本设计采用了 l m 2 5 9 4 芯片，该芯片具有以下优点： 1 3 3 v ，5 v ，1 2 v 以及1 2 v 3 7 v 可调节的电压输出。 2 保障0 5 a 的电流输出。 3 只需要4 个外部元器件。 4 输入电压可以高达6 0 v 。 本设计的电源部分电路如图2 4 所示： 7 立体车库控制器设计及其算法研究 第二章立体车库控制器硬件设计 图2 4l m 2 5 9 4 电路连接图 2 3 区域控制单元 区域控制单元是整个车库的指挥中心，它通过r s 4 8 5 总线控制本单元车库的多至 4 3 个载车板控制单元( 理论上可达2 5 5 个) 。其框图如图2 5 所示，下面介绍其组成 和相应功能。 蜂鸣器 图2 5 区域控制单元框图 2 3 1 处理单元 单片机采用w i n b o n d 公司的w 7 8 e 5 8 b 芯片，该芯片为8 位的c m o s 微处理器，它 立体车库控制器设计及其算庄研究 第二章立体车库控制器硬件设计 拥有2 5 6 字节的r a m ，3 2 k 的f l a s he e p r o m ，6 4 k 的程序存储空间，6 4 k 的数据存储空 间。4 个8 位的双向端口以及1 个额外的4 位的位地址i o 口和中断口w 7 8 e s 8 b 共 有3 个1 6 位的计时定时器和1 个完全双向的串行口。w 7 8 e 5 8 b 的这些强大的功能足 可以保证完成立体车库控制器复杂的算法，可靠的运行和苛刻的安全要求 2 3 2 输入信号检测 区域控制单元上的1 6 路光耦输入信号多为检测车库的各安全信号，用于确保车 库本身，汽车及人的安全 i 前后超车信号 前后超车信号用于检测汽车是否停在安全的位置。在车库的底层车位的两端，前 后分别安装了红外传感器。当汽车开进载车板，超出了前面或者后面的最大限位，我 们说这时汽车没有停好，将有发生汽车碰撞钢架结构或载车板摇晃的危险。此时，车 库会发出警告，整个车库不会运行，直到汽车停在合适的位置为止。 2 人车误入信号 车库在运行的过程中，禁止人或车进入车库，否则可能发生不可想象的危险。所 以，要在车库的入口安装检测是否有人车误入的红外传感器。在车库执行区域控制单 元的运行指令开始，到确认所有指令执行完毕之前的这段时间，如果传感器探测到有 人或车，或者其它物体进入车库，则整个车库的所有载车板马上停止，并发出警报。 2 3 3 看门狗电路 i 功能描述 看门狗电路是单片机可靠运行的必须电路之一本设计采用x 2 5 1 6 5 芯片，这个 器件把三种常用的功能：看门狗定时器、电源电压监视和串行e 2 p r o m 组合在单个封 装之内。这样既降低了系统成本、又减少了对电路扳空间的要求并增加了可靠性。 看门狗定时器为单片机提供了独立的保护功能，当程序跑飞时，x 2 5 1 6 5 将会以 r e s e t 信号作为回应，使程序复位。 x 2 5 1 6 5 具有电源电压监视的功能，当控制器的电源电压低于最小要求电压时， 系统将被复位，r e s e t 信号一直处于复位的电平，直到电源电压回到正常的电平并保 持稳定。 x 2 5 1 6 5 芯片有2 k 的串行e z p r o m 存贮空间，用于存贮车库故障信息。当车库出现 9 立体车库控制嚣设计及其算法研究第二章立体车库控制器硬件设计 故障时，将把故障信息存贮在) ( 2 5 1 6 5 的串行e 2 p r o m 中，包括故障类型和故障日期。 维修人员在维修的时候，就可以知道上次故障的原因，进而排除故障。同时，也可以 统计故障类型，了解车库控制器哪个部分容易出现故障，为进一步改进提供依据。 2 读写时序 将车库的错误信息从x 2 5 1 6 5 读出或将错误信息写入其中，必须按照一定的读写 时序。 读时序如图2 6 所示 5 b 图2 6x 2 5 1 6 5 读时序田 从图中不难看出，当我们要从x 2 5 1 6 5 的e e p r o m 中读取数据时，要先把c s 置 为低电平，在s c k 时序信号的作用下，8 位读信号指令和1 6 位地址从s i 引脚送给 x 2 5 1 6 5 ，收到这些指令，存储在e e p r o m 对应地址中的数据就会从s o 引脚移位出 来。 o 耳 泓 “ 蛐 立体车库控制器设计及其算法研究 第二章立体车库控制器硬件设计 写时序如图2 7 所示 两_ 、厂 s c x 几nn 几几几门几 sz 砬蕊l 厂皿 s o 碍 s c x s i 高阻态 e f f 厂 s c x 几几几n 几几几几几几几几几几几几几几几兀几几几几 s z ：i 。徽致) c i 。c 竣髓。c 鼢 图2 7x 2 6 1 6 5 写时序 在写数据之前，要先将8 位w r e n 指令送给x 2 5 1 6 5 ，之后把c s 信号置高。如 果发有把c s 置高而继续有任何的写操作都是不会成功的。在成功写入写指令之后， 我们就可以把1 6 位地址和数据信息由s i 引脚送给x 2 5 1 6 5 的e e p r o m 中。 2 3 4 初始状态设置及实时时间 立体车库在每次启动新的存取车动作之前，要先知道每个载车板在车库中的具体 位置。同时，车库的区域控制单元还需要知道每次的存取车时间。 针对这些要求，本设计采用了d a l l a s 半导体生产的d s l 2 c 8 8 7 芯片。 d s l 2 c 8 8 7 芯片具有以下功能：一天1 2 小时或2 4 小时制的精确到秒的非易失性的时 钟。1 0 0 年的日历，三种警报设置，一个可编程中断，一个方波发生器以及1 2 8 字节 的非易失性静态r a m 。在没有外部电源的情况下，这1 2 8 字节的内容也可以保持l o 年以上的非易失性。时间和日期以及报警信号可以以二进制码或者b c d 码的形式存 储在r a m 中。 立体车库控制罂设计及其算法研究 第二章立体车库控制器硬件设计 在d s l 2 c 8 8 7 内部r a m 中，存放时问和日期等内容的地址是有规定的，其地 址如图2 8 所示： o 0 秒 1 4 个字节l 秒报警 2 分 1 30 d 3 分报 1 4 茁4时 3 1 ， 时撮 4 9参 期 5 0 三n 日 j i 月 每 寄存器a 寄存器b 寄存器c 寄存器d 1 2 7 世纪 图2 8d 8 1 2 c 8 8 7 实时时钟地址图 由图可知时间信息和日期信息要分别存放在0 0 h 0 d h 的地址空间中，而百年 信息( c e n t i 瓜y ) 存储在3 2 h 中。这样，剩余的1 1 3 个字节的地址空间就可以存储 车位信息。 2 3 5 输出控制 由于区域控制单元的输出要控制电机的运转，所以需要一个高电压、大电流的驱 动器来完成。本设计采用了t i 公司生产的u l n 2 0 0 3 a ，它是一种7 通道达林顿沟驱 动器，驱动电压可达5 0 v ，单通道驱动电流5 0 0 m a ，输入信号可以兼容各种逻辑电 平，在其后接入继电器，就可以对电机实施控制。 值得注意的是，u l n 2 0 0 3 a 的内部逻辑关系中存在一个非门，所以在考虑电机 的通断时，要把这里的反逻辑关系考虑进去。 u l n 2 0 0 3 a 的连接非常简单，只要把9 脚c o m 端接电源电压，8 脚e 接地，输 入输出分别接到7 对达林顿通道上，芯片就可以正常工作。 2 3 6 通信扩展 在某些住宅小区建设立体车库，往往会有若干个单元车库组成。这就需要有一个 1 2 立体车库控制器设计及其算法研究第二章立体车库控制器硬件设计 主控制系统，通过r s 4 8 5 总线与各单元车库区域控制单元进行通信。单片机w 7 8 e 5 8 b 只有一组串行通信口，所以要对区域控制单元进行通信扩展 由于w t b e 5 $ b 的i o 口资源非常有限，所以在p 2 口的p 2 5 p 2 7 口之间接入了 7 4 l s l 3 8 ，通过地址译码扩展的方法来解决问题。经过7 4 l s l 3 8 的3 - - 8 译码之后， 接入了许多器件的选通脚，当要使用某个器件时，只要给单片机的p 2 口送入相应的 地址，其对应的器件的选通脚就被置为有效，也就可以对这个器件进行操作了。 d s l 2 c 8 8 7 、状态查询、键盘以及下面要讲到的异步串行通信芯片1 6 c 5 5 0 都是通过这 种方法与单片机连接的。 1 6 c 5 5 0 是一种具有异步串行通信功能的大规模集成电路芯片。它与单片机并口 连接，可以实现并一串转换，扩展出一路串行通信口，通过m a x 3 0 8 2 与主控制系统 通信。1 6 ( 2 5 5 0 的内部结构主要包括以下几个部分嘲： 1 总线连接逻辑。该逻辑包括i o 数据总线、地址线、读写信号线等，通过总 线可直接与c p u 实现连接。 2 芯片选择逻辑。1 6 c 5 5 0 有三个片选信号c s o 、c s l 、c s 2 ，只有在c s o = c s i = 1 和c s 2 = o 时，芯片被选中，且在a d s = 0 时，片选信号才能生效。 3 m o d e m 控制逻辑。1 6 c 5 5 0 所具有的m o d e m 控制逻辑主要是指 d t r d s r 、r t s c t s 、r i 和r l s d ( 或d c d ) 这三对握手信号及其应答逻辑。其中， d t r 为终端准备好信号，d s r 为m o d e m 准备好信号，r t s 为1 6 c 5 5 0 的请求发送 信号，c t s 为m o d e m 的允许发送信号，r j 为振铃信号，r l s d 为数据载玻信号。 这些信号的相互配合可以实现1 6 c 5 5 0 与m o d e m 之间可靠的数据传输。 4 串行数据收发逻辑。收发逻辑包括s 。、s 。和接收时钟电路。当u a r t 接 收数据时，在接收时钟信号r c l k 的作用下，将s 。输入端上的数据串行移入接收缓 冲寄存器r b r 供c p u 读取；当u a r t 发送数据时，在发送时钟信号的作用下，将数 据总线上的数据写入到发送寄存器t h r ，再从s 。端上串行输出。 5 中断请求逻辑。1 6 c 5 5 0 内部定义了四级中断，无论哪一级中断产生请求，均 通过r n t r p t 向c p u 发出中断请求信号。 1 6 c 5 5 0 内部寄存器主要有：接收缓冲寄存器( r b r ) ；发送保持寄存器( t h r ) ； 中断允许寄存器( i e r ) ；f i f o 控制寄存器( f c r ) ；中断状态寄存器( i s r ) ：线 立体车库控制器设计及其算法研究 第二章立体车库控制器硬件设计 路控制寄存器( l c r ) ；线路状态寄存器( l s r ) ：m o d e m 控制寄存器( m c r ) ； m o d e m 状态寄存器( m s r ) ；临时数据寄存器( s p r ) ；波特率除数锁存器低位( l s b ) ； 波特率除数锁存器高位( m s b ) 等。在1 6 c 5 5 0 中，使用3 位地址线定义了u 个内部 寄存器。除a , 2 a 1 a 0 之外，l c r 7 ( d l a b ) 参与了辅助定义。当l c r 7 = 1 且a 2 a 1 a 0 = 0 0 0 0 0 t 时，定义访问波特率除数锁存器l s b 妪b ，当l c r 7 = 0 且a 2 a 1 a 0 = 0 0 0 0 时，定义访问接收缓冲发送保持寄存器r b r t h r 。 在单片机系统中，正确使用1 6 ( ；5 5 0 需要解决好两方面的闻题；一方面，应保证 1 6 c 5 5 0 与c p u 及其外围电路的硬件连接逻辑正确；另一方面，要明确1 6 c 5 5 0 的工作 方式及其相应的编程方法。 2 4 扩展功能 方案中预留了主控制系统的设计，通过r s 4 8 5 总线与各单元车库的区域控制单元 进行通信，可以使本设备的功能进一步完善。主控制系统可以在联机模式下，对各单 元车库的载车板进行动作控制，状态查询，实时车位状态记忆。同时还有以下功能： 车辆出入管理( 警报、栏杆动作、提示文字显示) 。各有和计算机的r s 2 3 2 接口，通 过和计算机相连可进行多功能数据库管理，车位历史状态记录。既可以与区域控制单 元通信，也可以在主控制系统之间通信( 有两个出入口要有两个主控制系统) 。 1 4 立体车库控制器设计及其算法研究第三章立体车库控制器软件设计 第三章立体车库控制器软件设计 3 1 主从机通信协议 本设计区域控制单元和载车板控制单元之间的通信采用了主从式结构，通信协议 如下表所示：主机每次发8 个字节，第一个字节为载车板的地址，第二个字节为命令， 若为1 ，则设置载车板动作：第三、四字节分别为继电器序号和通断，第五、六字节 不用，第七、八字节校验。c r c 校验正确，则从机把接收到的8 个字节回送给主机； 若主机发送过来的第二个字节为2 ，则索取载车板的状态。c r c 校验正确，从机把扫 描的状态放到第三、四字节中返回给主机。主从机通信协议如表3 1 和表3 2 。 袁3 1 主机发迭协议 字节l 2345678 含义若1 ，设继电器 继电器 c r c 校c r c 校 载车板置动作序号通断验验 含义 地址 若2 ，索 。 c r c 校c r c 校 取状态验验 轰3 2 以机返回协议 字节l2345678 含义著1 ，设继电器继电器 c r c 校c k c 校 载车板置动作序号通断验验 含义 地址 若2 索载车板载车板 c l 屺校c r c 校 取状态状态状态验验 3 2 载车板控制单元 载车板控制单元采用了中断的方式，当区域控制单元有数据传过来时，启动中断 服务程序，执行动作命令或者回送状态信息。为了防止出现误操作，在串行通信中采 用了c r c 校验的方法，确保车库的安全运行。在其他时间里，载车板控制单元一直 查询车位的限位信息，当有某个方向的动作命令而已经到达其相应方向的限位时，此 车位应马上停止运行。例如，某车位有向右的动作，控制器查询到有右限位时，此车 1 5 皇堕主塞墼塑设廿及其算法研究第三章立体车库控制器软件设计 位立即停止运行。载车板控制单元程序流程图如图3 1 所示。 图3 1 载丰板控制单元程序，虎程图 3 3 区域控制单元 程序中不断扫描键盘输入指令，若发现有存取车命令输入，则按照车库动作算法 按次序动作各载车板。同时，区域控制单元不断查询相应载车板的限位信息，若到位 了，载车板自动停止，区域控制单元会发命令给下一个载车板，完成其相应的动作。 在整个车库运行过程中，若检测到有人车误入信号或电机粘连信号，则马上停止整个 1 6 立体车库控制器最计及其算法研究 第三章立体车库控制器软件设计 车库，进入故障状态。无论是何种错误信息，都会将载车板上控制电机的继电器断开， 车库门口的警灯点亮，并把故障信息代号保存在x 2 5 1 6 5 的e 2 p r o m 中 在每次车库运行之前，要首先索取各个载车板的限位信号，在确认所有的载车板 处于正常位置后，才能让车库运行同时，车库的运行有时间保护功能，每个车位的 动作从开始到结束必须在某个设定的时间段内完成，到位过快，就可能是限位信号出 了问题或者电机发生堵转；超过了一定的时间还没有到位，就可能是限位信号触点出 现故障 为了节省车库总体的运行时间，在有多个横移操作连续动作的情况下，要把同一 方向上的横移操作设为联动。例如有1 6 、1 5 、1 4 、6 、5 、4 号车位要向右横移，则在 1 6 号车位刚刚离开限位时，6 号车位开始移动，然后1 5 号、5 号以此类推。通 过联动操作，将大大减少用户的存取车时间。 区域控制单元程序流程图如图3 2 所示 3 4 软件功能扩展 根据不同用户和客观条件的需求，立体车库控制器在软件设计方面也要有一些功 能的扩展。有的车库要在地下也放置一层车位，有的车库在地面层的出车门口恰好有 障碍物，如：大树、电线杆等。对于这些特殊要求，程序中分别给出了不同的处理方 法。通过键盘的操作，可以选择这些特殊功能的有无。 t 7 立体车库控制器设计及其算法研究第三章立体车库控制嚣软件设计 图3 2区域控制单元程序虎程图 立体车库控制嚣设计及其算法研究 第四章立体车库车位调度算法研究 第四章立体车库车位调度算法研究 升降横移式立体车库的安全使用需要一套非常完善的算法作为基本保证。这里所 指的算法研究，是指各载车板按照怎样的动作顺序，在最快的时间内，采取最优的路 径，使目标载车板到达地面层，供用户使用。在c 语言的环境下，满足立体车库车 位调度的限制条件，可以得到一般路径搜索算法的程序设计。遗传算法是一种模拟生 物进化过程的算法，它在寻求复杂问题的最优解时具有很强的鲁棒性。将遗传算法应 用于本车库的车位调度中，按照“适者生存，劣者淘汰”的思想，经过选择、交叉、 变异等遗传算子运算，可以求出车库运行的最优路径 4 1 一般路径搜索算法设计 根据机械设备的设计要求，立体车库有许多限制条件：底层车位只能左右移动、 顶层车位只能上下升降、中间层既可以左右移动，也可以上下升降。此外，对于一个 移动的载车板来说，只有其移动方向上的位置是空的，该载车板才可以移动过去，否 则，将会发生载车板碰撞，产生巨大损失。 按照车库的这些限制条件，要对载车板进行存取车的操作，必须要使该载车板位 于地面层。这样，该算法就变为如何移动载车板，以最少的动作步数，来完成使目标 载车板下降到地面层的空的通道。 通过以上分析，我们不妨把车库位置定义成数组的形式，该数组中的元素值即为 车库当前的排布车位的车位号，从而得到下面的立体车库调度算法： 1 目标载车板与车库列数比较，若小于列数，则说明日标载车板就在底层，可 以直接存取车，车库不用运行。 2 其他情况下，都要把底层对应的空位腾出来，供目标载车板停放使用。 3 把在底层但不属于底层的载车板送回原位置，为下面的其它动作腾出空位。 4 找出空的位置，与目标载车板下方的车位号比较，决定左移、右移还是静止 不动，直至把在目标载车板下方的车位移空为止。 5 最后一步是把目标载车板下降到地面层，供用户存取车使用。 用算法描述语言描述如下： 1 9 立体车库控制器设计及其算法研究第四章立体车库车位谓度算法研究 s l ：f i 】【n b 一目标载车板的值p o m t i o n 一原来车位排布状 s 2 ：瑾f i xn o j + ( c o l u m n - i ) & & j f i x _ n o c o l u m n 0 2 d dt h e n 右移e l s e 左移 或不移 8 1 4 ：若k = 0 则转s 1 5 s 1 5 ：a c t s t a r t 】一u n i t _ n o ，d o w n s 1 6 ：a c t s t a r t + l 】一0p o s , t i o n e m p t y _ n o 】一p o s i t i o n e m p t y _ n o + f i x _ n o 】 s 1 7p o s l u o n e m p t yn o + f i x _ n o 】一0 4 2 遗传算法简介 4 2 1 遗传算法的研究历史和发展 生命科学与工程科学的相互交叉、相互渗透和相互促进是近代科学技术发展的一 个显著特点，而遗传算法的蓬勃发展正体现了科学发展的这一特征和趋势。 遗传算法( g e n e t i ca l g o n t h m ，g a ) ，是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生 物进化过程的计算模型，它是由美国m i c l l l g a n 大学的j h o l l a n d 教授于1 9 7 5 年首先 提出的，其主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息交换，搜索不依赖于梯 度信息。它尤其适用于处理传统搜索方法难于解决的复杂和非线性问题，可广泛用于 组合优化、机器学习，自适应控制、规划设计和人工生命等领域，是2 l 世纪有关智 能计算中的关键技术之一 立体车库控制器设计及其算法研究第四章立体车库车位调度算法研究 遗传算法的历史起源可以追溯到6 0 年代初期，早期的研究大多以对自然遗传系 统的计算机模拟为主。1 9 6 7 年，b 嘲e y 在他的论文中首次提出了遗传算法这一术语， 并讨论了遗传算法在自动博弈中的应用。他所提出的包括选择、交叉和变异的撰作已 与目前遗传算法中的相应操作十分接近。在同一时期，r o s e n b e r g 也对遗传算法进行 了研究，他的研究依然是以模拟生物进化为主，但他在遗传操作方面提出了不少独特 的设想。第一个把遗传算法用于函数优化的是h o l l s t i e n 。1 9 7 1 年他在论文 - 0i = 1 , 2 n 立体车库控制嚣设计及其算法研究 第四章立体车库车位调度算法研究 其中x 是一向量。 通过惩罚方法，上述问题可转化为非约束问题： 最小化：g ( 曲+ ，斜岛( 明 j - i 其中，中为惩罚函数，为惩罚系数。 惩罚函数有许多确定方法。这里，我们对所有的违背约束条件的个体均按式( 4 - 6 ) 设定 o 【6 f ( 力】= 岛2 ( 力( 4 - 6 ) 在一定的条件下，当惩罚系数，的取值接近无穷大时，非约束解可收敛到约束解。 在实际应用中，遗传算法中，值通常对各类约束分别取值，这样可使对约束违背的惩 罚分量将是适当的把惩罚加到适应度函数中的思想是简单而直观。但是，惩罚函数 值在约束边界处会发生急剧的变化，常常引起问题，需加以注意。用遗传算法求解约 束问题的对策除了从适应度函数设计着手外，还可以在编码设计和遗传操作设计等方 面采取一定的措施“1 。 5 选择 从群体中选择优胜的个体，淘汰劣质个体的操作叫选择。选择算子有时又称为再 生算子。选择的目的是把优化的个体( 或解) 直接遗传到下一代或通过配对交叉产生 新的个体再遗传到下一代。选择操作是建立在群体中个体的适应度评估基础上的，目 前常用的选择算子有以下几种。 1 ) 适应度比例方法 适应度比例方法是目前遗传算法中最基本也是最常用的选择方法。它也叫赌轮或 盟特卡罗选择。在该方法中，各个个体的选择概率和其适应度值成比例。设群体大小 为弹，其中个体f 的适应度为一，则l 被选择的概率p s 。如式( 4 - 7 ) 所示。 ，盯 昂= z z 件7 ) i - i 显然，概率巳反映了个体l 的适应度在整个群体的个体适应度总和中所占的比 例。个体适应度越大，其被选择的概率就越高，反之亦然。 2 ) 最佳个体保存方法 立体车库控制嚣设计及其算法研究 第四章立体车库车位调度算法研究 该方法的思想是把群体中适应度最高的个体不进行配对交叉而直接复制到下一 代中此种选择操作又称复制。d e j o n g 对此方法作了如下定义： 设到时刻t ( 第，代) 时，群体中a ( f ) 为最佳个体又设a ( f + 1 ) 为新一代群 体，若4 0 + 1 ) 中不存