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硕士论文泊车信息终端没计 摘要 城市分布式网络泊车管理服务系统是为有效解决城市机动车停放管理而提出的。 泊车信息终端，是泊车管理服务系统的重要组成部分。当车辆进入泊车位区域时，通 过在泊车位设置的泊车信息终端，自动识别车辆泊车并完成信息上传功能，实现了对 泊车位及泊车车辆的精确化和网络化管理。 泊车信息终端的硬件平台采用了基于a r m 7 体系架构的l p c 2 1 1 9 作为核心的处理 器，磁传感器与超声波传感器相结合实现了对泊位车辆的监控和管理，通过采用c a n 总线接口实现了与咪表网桥的通信。在硬件电路设计的基础上，软件程序的设计采用 了前后台工作方式，使用外部中断和定时中断实现了对泊位车辆的管理。其中车辆位 置检测工作程序实现了传感器信号的采集、捕获与处理；泊车信息终端通信软件完成 了相关通信协议的设计，实现与咪表网桥的通信，泊车信息终端参数的设置与读取由 外部手持机控制。最后通过软、硬件的调试，完成了泊车信息终端的系统设计，达到 了设计要求。 城市分布式网络泊车管理服务系统是结合了当前中国泊车现状，利用现代电子技 术与网络技术实现了泊车管理方式和收费方式的变革。而泊车信息终端是整个泊车系 统网络化管理的基础，在构成的城市分布式网络泊车管理服务系统的网络平台中发挥 着重要的作用。 关键词：泊车信息终端，a r m ，c a n ，磁传感器，超声波传感器 a b s t r a c t c i t yd i s t r i b u t e dn e t w o r kp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mw a sd e v e l o p e d t os o l v et h ec i t y v e h i c l ep a r k i n gm a n a g e m e n tp r o b l e m t h ep a r k i n gi n f o r m a t i o nt e r m i n a li sa ni m p o r t a n tp a r t o ft h ep a r k i n gm a n a g e m e n ts e r v i c e ss y s t e m w h e nt h ev e h i c l ee n t e r e dt h ep a r k i n ga r e a s ，t h e p a r k i n gi n f o r m a t i o nt e r m i n a l st h a ts e tu pi nt h ep a r k i n gs p a c e sa u t o m a t i c a l l yi d e n t i f yt h e p a r k i n gv e h i c l e s a n du p l o a dt h ep a r k i n gi n f o r m a t i o n t h e nt h ea c c u r a t ea n dn e t w o r k e d m a n a g e m e n to fp a r k i n gs p a c e sa n dp a r k i n g v e h i c l e sw a sa c h i e v e d t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fp a r k i n gi n f o r m a t i o nt e r m i n a li n c l u d e st h el p c 2 119a st h e c o r ep r o c e s s o rb a s e do na r m 7a r c h i t e c t u r e ，i n t e g r a t i o no fm a g n e t i cs e n s o r sa n du l t r a s o n i c s e n s o r st oa c h i e v em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n to ft h ev e h i c l e s ，a n dc a nb u si n t e r f a c et o c o m m u n i c a t ew i t ht h ep a r k i n gm e t e rb r i d g e t h es o f t w a r ep r o g r a m sw e r ed e s i g n e dw o r k i n g i nf o r e g r o u n ds o f t w a r ea n db a c k g r o u n ds o f t w a r ew o r k i n gm o d ea n dt h em a n a g e m e n to f p a r k i n gv e h i c l e sw a sa c h i e v e db ye x t e r n a li n t e r r u p t sa n dt i m ei n t e r r u p t s c o l l e c t i o n ，c a p t u r e a n dp r o c e s s i n go fs e n s o rs i g n a l sw e r ea c h i e v e db yv e h i c l el o c a t i o nd e t e c t i o np r o c e d u r e s ； c o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o l sw e r ed e s i g n e db y c o m m u n i c a t i o n sw i t ht h ep a r k i n gm e t e rb r i d g ew e r ea c h i e v e db yt h ep a r k i n g i n f o r m a t i o nt e r m i n a lc o m m u n i c a t i o n sp r o c e d u r e s t h ep a r a m e t e r si ss e ta n d r e a db ye x t e r n a l h a n d s e t t h ep a r k i n gi n f o r m a t i o nt e r m i n a ls y s t e mt h a tr e a c h e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n tw a s a c c o m p l i s h e da f t e rt h ed e b u g g i n g t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ep a r k i n gm a n a g e m e n ta n dc h a r g ei n n o v a t i o nw a sa c h i e v e db yc i t y d i s t r i b u t e d n e t w o r kp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nm o d e r ne l e c t r i ct e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g yc o n s i d e r i n gt h ec u r r e n tp a r k i n g s t a t u si nc h i n a p a r k i n gi n f o r m a t i o nt e r m i n a li s t h eb a s eo fw h o l en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ，a n dp la ya ni m p o r t a n tr o l ei n t h ec i t y d i s t i l b u t e dn e t w o r kp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：p a r k i n g i n f o r m a t i o nt e r m i n a l ，a r m ，c a n ，m a g n e t i cs e n s o r s ，u l t r a s o n i c s e n s o r s i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 垒量 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕十论文 泊车信息终端设计 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着社会经济的快速发展，城市机动车辆飞速增长，高停车需求与有限的停车泊 位供给矛盾日趋尖锐，尤其是市中心商务区，供需严重失衡，泊车已成为交通瓶颈之 一，严重影响了经济的发展和市民出行的畅通。而城市商业区、写字楼、办公区的停 车场建设及经营，也无法满足机动车辆泊车的需要。在城市中设置路边临时泊位，将 车辆合理分流到路旁泊车位，利用非主要交通道路设立路面临时停车场，这不仅可以 缓解路外停车设施不足的矛盾，而且也可以提高道路资源的利用率，这也是国外的目 前城市交通管理中所采用的普遍方法，利用特殊区域如道路规划停车的方式叫做咪表 ( p a r k i n g m e t e r ) 停车【5 l 】。 但由于目前缺乏一整套科学的泊车资源的开发与信息化管理系统，未能使现有的 泊车设施发挥其最大的社会效益与经济效益。路边车辆乱停乱放，严重浪费了道路资 源；停车收费混乱，费用流失，总体收费水平偏低，不能反映停车成本；泊车位及泊 车资源无法信息化管理，不能对车辆进行网络化管理、收费，同时无法对特殊车辆泊 车以及车辆违章停车监管、防窃与管理。因此城市交通建设和泊车市场亟待需求一个 系统的泊车解决方案，提高城市静态交通的效率和社会效益与经济效益，优化城市的 交通环境，促进城市的可持续发展。 课题组提出的城市分布式网络化泊车管理服务系统，是科学合理的解决城市道路 中设置临时泊位，提高路边泊车使用效率的有效措施。因城市一部分地下及周边停车 场停车难，而将车辆合理分流到路旁泊车位，既满足了城市静态交通的有序，又促进 动态交通的顺畅，进一步优化了城市交通管理。而城市分布式网络泊车管理服务系统 中的泊车位，经合理的优化配置，利用诱导系统使机动车辆就近停车、按需停车，为 驾驶员停车、取车节省了时间；充分利用了城市道路空间，既不会堵塞交通，又不会 影响行人和动态交通。它是当前国际上最先进的泊车管理方式之一，它采用科学的计 时收费方式，利用现代的电子技术手段对道路泊车实行电子化收费。 目前对道路泊车管理收费主要是通过咪表，它充其量只是一种记时记价器，不但 无法满足城市静念交通的信息化发展趋势，其本身更是不具备对车辆的监控管理、泊 位信息的传递交互等等各种管理与服务功能，对车辆的管理与控制需要人工来完成。 城市要实现智能化交通系统建设，实现城市停车资源的系统化管理与服务，就必须实 现停车位的终端化、网络化管理。本论文f 是基于这样的课题背景，提出通过在泊车 位设置泊车信息终端柬实现对泊位及泊车车辆的管理。它是整个泊车系统网络化管理 的基础，是泊车管理服务系统的重要组成部分，在构成的城市分布式网络泊车管理服 1 1 绪论硕十论文 务系统的网络平台中发挥着重要的作用。 1 2 国内外概况 目前，我国对泊车的管理主要由：人工收费管理与磁卡咪表收费管理两种方式。 人工收费管理是最原始的车辆管理方法，目前只在少数临时性停车场所及部分道路泊 车中使用，存在管理混乱，费用流失严重。目前国内大多数停车管理是采用磁卡咪表 计费管理系统，它们都是基于独立停车场设计的，只能完成单个停车场的泊车管理， 系统信息是封闭的，无法与其他停车场交互，驾驶员无法得到实时、动态的泊车信息， 使得泊位利用率降低，这种弊端在车流量大的公共场所显而易见，有的停车场爆满， 有的停车场空缺，泊位利用极不平衡，管理效率极为低下。目前国内的泊车管理系统 大多数局限于停车场，无法充分利用道路资源，并且还没有形成网络化的管理，更无 法实现储值卡功能、报警功能、远程财务结算功能、与银行联网结算功能；无法对泊 位的车辆进行实时的管理，不能满足路边泊车的管理需求，不符合中国泊车市场的发 展需要。 目前国外发达国家城市路旁采用是无人职守的、单一独立的射频r f i c 卡泊车咪表 付费终端，一台独立的路旁咪表终端可方便驾驶员自觉付费管理路旁附近几个泊车位， 国外知名的泊车设备及系统制造商有：美国邓肯公司、韩国o t l s l g 株式会社、英国 曼彻克公司等。美国邓肯公司是世界上最早制造泊车咪表的公司，已有6 0 多年的历史， 是世界上最大的泊车眯表制造商，其生产的( e a g l e ) 鹰牌泊车眯表全球市场占有率达 5 0 ，且其设备先进，研究开发实力很强，其研发的咪表安装、使用和维修方便，咪 表表壳采用坚固耐用的锌合金制作。韩国o t l s l g 株式会社的s i g m a 品牌遍布全世 界，在众多系列产品中塔式及平面往返式停车设备以其独有的高效简便、节能环保等 特点而驰名。英国曼彻克( m e t r i c ) 公司一家老牌的停车设备制造公司，其多车位停车收 费仪占有3 0 的世界份额它生产的m e t r i c 收费仪主要优点是一表可管十五至三十个车 位：可同时接受i c 卡、银行卡、信用卡、纸币及硬币付费。上述三家公司的产品在我 国北京、上海等中心城市皆有应用。从近几年的使用情况来看，主要暴露出以下问题： 一是只适应于单个停车场管理，不能提供整个城市系统解决方案。无法对多个停车场 泊位实时动态管理。二是价格昂贵，维护费用高。三是无锁定装置，易逃费和被盗。 四是费率单一，缺乏弹性。近几年还出现了通过有w a p 功能的移动电话支付停车费的 互联网停车咪表以及支持手机短信预定泊位的咪表。由于这些产品是根据国外的停车 状况及泊车文化设计的，它们并不能适应我国大多数城市复杂泊车环境，大多被废弃 拆除3 8 1 。 国外的诚信体制及法律规范，使国外驾驶员能自觉在路旁咪表泊车时刷卡付费。虽 然我国部分城市也有过采用射频r f i c 卡泊车咪表进行管理路边停车的试验，但由于诚 硕士论文泊车信息终端设计 信制度无法建立，简单的采用射频r f i c 卡泊车咪表进行路旁泊车存在的诸多问题。例 如：一台咪表只能管理几个泊位，驾驶员不刷卡泊车无法监管，公众的自主、自觉、 自愿的交费意识和道德行为尚未形成。外地车辆泊位停车无法泊车收费，而每个泊车 射频r f i c 卡咪表无法网络化管理等，更无法对泊车资源进行统一管理，无法对车辆在 路边的停靠进行诱导。所以射频r f i c 卡咪表，在我国城市推广和管理中仍然存在一定 难度，问题较多基本没有成功的案例。所以我们必须从我国国情出发，借鉴国外先进 的泊车管理方式和技术手段，利用先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技 术、电子控制技术及计算机处理技术结合中国的路边泊车环境，提出切实可行的道路 泊车方案。 要解决我国城市道路泊车难的问题，就必须对我们的泊车管理方式和收费方式进行 变革，要实现城市智能交通系统的建设，满足城市交通发展和道路泊车管理的需求， 就必须对泊车资源进行统一管理，其中最重要的是对泊车位及泊位车辆的终端化、网 络化管理。本课题主要是通过在泊车位放置车辆检测器，对泊位进行终端化改造来实 现的。目前车辆检测器大都只能动态测量车辆在泊位的进出，无法静态的测量泊位的 车辆是否存在，而且大多数只能适应于停车场的设计要求，而无法满足复杂的道路泊 车环境的需要。 目前人们仍在采用2 0 世纪6 0 年代就己采用的地感线圈作为车辆检测器。即在道路 表层下埋置环形感应线圈，以测定电感变化检测车辆是否存在，被认为是目前相对比 较成熟的车辆检测装置。 地感线圈虽然被认为是目前相对比较成熟的车辆检测装置，但还是有很多缺点： ( 1 ) 线圈的安装需在地面切g - j 2 m 1 5 m 的环形地槽，并将线圈埋入槽中进行密封， 故施工安装难度较大；且切割地面产生的噪声、灰尘，易造成环境污染，施工条件恶 劣，同时加大施工量； ( 2 ) 安装时，需将线圈接至车辆检测控制器，接线比较复杂，同时对地感线圈的 进线、长度及串联电阻都有严格的要求，造成使用不便； ( 3 ) 地感线圈极还易受到外界环境的干扰，包括l 人j 电雷击等电磁波以及相邻线圈 之间的相互干扰； ( 4 ) 随着时间推移，地感线圈自身的漂移易导致误动作信号的产生； ( 5 ) 现有的地感线圈车辆检测器还存在无法实现与计算机互联通信等弊端。 除去地感线圈，目前行业中普遍使用的车辆检测器还有采用超声波、红外传感、 微波、视频等原理。超声波传感器容易受环境影响，风速及探头下方的人员影响传感 器的正常检测；红外传感器工作现场的狄尘冰雪、雾及人员通过会影响系统j 下常工 作；微波技术价格昂贵，设置调整复杂；视频技术检测可靠性受外界环境影响。所以 用一种先进的稳定准确的车辆检测器代替传统产品成为亟待解决的问题。 3 1 绪论硕上论文 地球的磁场在几公里之内基本上是恒定的，但大型的铁磁性物体会对地球磁场产 生巨大的扰动，地磁传感器可以分辨出地球磁场6 0 0 0 分之1 的变化，而当车辆通过时对 地磁的影响将达到地磁强度的几分之一，因此利用地磁传感器来探测车辆，具有极高 的灵敏度，地磁传感器就是通过探测车辆通过时对地球磁场产生的扰动来探测车辆的。 通过检测汽车对地磁信号的扰动，判断车辆的进出泊位的情况，从而实现对车辆信息 的分析、控制及管理。同地感线圈相比有如下特点： ( 1 ) 安装简便，新型地磁车辆检测器需要切割地面的长度只有地感线圈的1 4 ， 大大缩短了施工工时，节省3 4 的安装费用； ( 2 ) 接线方便，而新型地磁车辆检测器为小型芯片式封装传感器，无需外界控制 器，接线简单方便； ( 3 ) 抗干扰能力强，新型地磁车辆检测器最新地磁检测技术，运用新型地磁传感 器芯片，不会受到外界电磁波的干扰，车辆检测器相互问不会干扰； ( 4 ) 安装位置灵活，新型地磁车辆检测器可安装于任何路面，不受较远的铁磁性 物体干扰，如埋在地下的钢筋等陋3 3 到。 车辆检测传感器是数据采集系统的关键部分，传感器的性能对数据采集系统的准 确性起着决定性的作用。由于研究的是在路边的泊车系统，外界干扰更大，同时在安 装不能对道路产生破坏性施工，所以决定采用地磁传感器与超声波传感器相结合的检 测方式，共同检测相关车位上是否有静止车辆存在。它具有探测精度高、抗干扰能力 强、施工方便等优点。 1 3 课题的提出及整体性设计介绍 “城市分布式网络泊车管理服务系统”是支撑城市泊车服务网络化管理，支撑泊车 服务网络化运营的泊车管理服务系统。它不是传统的泊车咪表，而是具有控制及信息 双向交互功能的车位管理终端，通过对停车位的终端化改造，形成城市所有停车资源 ( 停车楼、停车场、道路泊车位) 的系统管理、服务、运营，全面提高停车资源使用 效率和管理服务水平。 我们研制的是道路泊车网络管理系统，稍加改造也可以运用于停车场和停车楼， 它们组成了城市的网络化的停车资源，与城市分布式网络化泊车管理服务运营信息港、 城市交通指挥中心进行信息的交互共同构成了分布式网络泊车管理服务系统。 道路泊车网络管理系统如图1 - 3 1 所示，主要由咪表网桥、泊车信息终端、无线手 持机和信息中心四大部分组成。咪表网桥通过无线g s m g p r s 网或其他网络形式与城 市分布式网络化泊车管理服务运营信息中心进行数字通讯。泊车管理手持机采用人机 相结合的管理方式进行收费，提高了路边泊车的管理水平，减少了收费现金的流失。 泊车信息终端监测车辆的进出，向咪表提供及时的车辆信息。信息中心由管理机、数 4 碗上论文 泊车信息终端设计 据中心和三级诱导系统组成，接受和设置咪表网桥转发的各种控制信息和泊车信息。 泊车眯表网桥通过r f 无线通信方式与泊车管理员的手持机通讯，每台咪表网桥通 过c a n 现场总线与泊车位信息终端进行数字通讯，并对相关信息进行转发，每台泊车 咪表网桥可以管理1 0 0 个以上泊车位信息终端。 * $ h $ 月# # 镕$ * & * * 估e 十o ， i i 0 = i2 s 汁镕 n c “j # 口e # 图i31 道路泊乍网络管理系统 本课题的创新点在于： ( 1 ) 创造性地提出了在泊车位设置泊车信息终端的构想，实现了对泊车位的精确 化管理和网络化管理； ( 2 ) 根据我国的实际情况采用了手持机和人工相结合的方式对泊车进行管理，使 用手持机进行收费提高了路边泊车的管理水平，减少了收费现会的流失，收费更加准 确合理； ( 3 ) 咪表不再是传统传统意义上的泊车咪表，而是具有控制及信息双向交互功能 的咪表网桥； ( 4 ) 信启、中心通过咪表网桥将分布在城市的泊车资源进行统一的网络化管理。 整个系统由我和另外三位同学一起研究设计完成，我主要负责的是泊车信息终端 装置的研究和设计，它是对泊车场中每个油车位及泊位停车进行管理服务的平台，是 整个城市分布式网络化泊车管理服务运营系统的基石，也是整个泊车系统的创新之。 1 4 本论文主要研究的内容 论文主要研究内容是道钉式地磁感应车辆超声波泊车检测信息管理终端一简称泊 车信息终端的软、硬件的设计，主要实现的功能是对泊车位和车辆的管理及如何与咪 表的通信。泊车信息终端主要由磁传感器与超声波传感器共同组成车位传感器完成对 泊位和车辆的监控，并由a r m 7 t d m i 微处理器完成车位传感器数据的采集、处理，主 叁 =j日 _ 最 1 绪论硕土论文 动通过c a n 总线向眯表发送泊位车来车走信息并被动接受、处理咪表转发的相关命令， 驱动相关道钉的指示灯。 论文的主要任务是完成系统软、硬件两个方面的设计，最后进行软硬件的调试： ( 1 ) 硬件电路的设计 硬件电路的设计主要是解决三个方面问题： 车位探测器传感器采集信号的可靠性。目前车位探测器的传感器主要采用光电 技术、超声波技术、微波技术，视频技术和地感线圈。而我们主要研究的是在路边泊 车的问题，路边环境条件比较恶劣，所以必须考虑车位探测器的安全、可靠、经济实 用。地磁车辆检测器由于安装简便、价位低廉，可安装于每个车位用于实时指示该车 位的使用情况。地磁车辆检测器可以可靠检测特定车位的车辆到位情况而不会受到相 邻车位的干扰。同时为了更好地提高车辆探测器的灵敏度和准确度，我们决定采用地 磁传感器与超声波传感器相结合的方式实现对车辆位置的检测。 弱磁信号的检测和处理。需要设计一个采样精度很高且功耗很低的数据采集处 理系统，本论文的设计中采用磁传感器作为弱磁信号的磁电转换器，设计了一个仪表 放大电路对差动信号进行放大后送入a d c 采样电路，并将采样值送入低功耗的a r m 7 处理器进行处理。 现场总线的实时性和通用性。我们研究的泊车系统是为整个城市分布式泊车网 络系统平台服务的，在城市信息化管理中，必须将分布在城市的各个停车场、道路泊 车等纳入到网络化泊车管理服务运营系统平台中。所以必须满足泊车信息终端与咪表 网桥通讯的可靠性、实时性。硬件电路主要是完成相关总线通信接口电路的设计。 ( 2 ) 软件的设计 软件的设计主要包括两方面的内容：车辆检测软件与通信软件的设计。 车辆检测软件设计的主要任务是通过对传感器信号的处理，判断泊车位车辆的 进出。磁阻传感器输出微弱信号，经放大处理后，由a d c 采样输出，并对磁阻传感器 的电桥输出偏置值进行计算，通过与原始地磁参数比较确定泊车位车辆的进出。超声 波传感器是根据超声波测距的原理，通过判断有效的回波来确定泊位停靠的车辆。由 磁阻传感器与超声波传感器输出的信号共同判断泊位停车情况以及向咪表主发车来、 车走信息。泊车信息终端的参数设置由手持机通过咪表转发对泊位进行设置。 泊车信息终端与咪表网桥通信的设计，采用c a n 总线方式实现多主机通讯。当 泊车信启、终端检测到有车来、车走信息时， 接收咪表向泊车信息终端发送的相关信息， ( 3 ) 软硬件的调试 将主动向咪表发送相关信息，同时也被动 c a n 总线通信采用中断的控制方式。 当软硬件设计完成后，将软件程序下载到硬件目标板上，进行软硬件的调试。测 试传感器的信号是否f 确，c a n 总线通信是否正常。 硕1 j 论文 泊车信息终端设计 2 泊车信息终端的系统设计 2 1 设计的要求 泊车信息终端是为满足城市分布式网络泊车系统对泊位信息的管理的需要而设计 的，主要是实现了在道路环境下对泊车位和车辆的精确管理，系统设计必须实用可行、 科学合理，总体设计的要求为： 。( 1 ) 系统检测准确可靠：由于泊位是在复杂的道路环境下对车辆的检测，所以传感 器的设计必须考虑到外部环境因素的影响，硬件电路中传感器电路的设计必须满足车 辆检测的准确可靠。 ( 2 ) 设置和调试方便：由于泊车信息终端是应用于不同的道路环境下，所以参数的 设置就会不同，整个泊车信息的终端参数设置和调试由外部手持机通过咪表对泊车信 息终端进行操作，软件设计必须满足这一通信要求。 ( 3 ) 系统满足低功耗：当不需要传感器及部分外设工作时，由软、硬件设计成自动 关闭，满足整个系统低功耗的要求。 ( 4 ) 系统满足实时性：在进行软硬件设计时需要考虑整个系统的实时性要求。 2 2 泊车信息终端硬件系统设计思想 泊车信息终端的硬件平台的核心是采用了a i 洲7 t d m i 微处理器对泊位上的车辆 进行监控和管理。它主要是检测泊位车来、车走的信息，并对传感器数据的采集数据 信号进行处理：自动通过c a n 接口向咪表发送相关信息并接受、处理咪表相关命令， 驱动相关道钉的指示灯。为了实现上述功能，在硬件系统的设计中采用基于 a r m 7 t d m i s 核、内嵌c a n 控制器的l p c 2 1 1 9 。为了实现对泊位车辆的监控，采用了 超声波与磁传感器相结合的方式对车辆进行监控。 车辆检测传感器是数据采集系统的关键部分，传感器的性能对数据采集系统的准 确性起着决定性的作用。由于研究的是在路边的泊车系统，外界干扰更大，同时在安 装时不能对道路产生破坏性施工，所以决定采用地磁传感器与超声波传感器相结合的 检测方式，共同检测相关车位上是否有静止车辆存在。它具有探测精度高、抗干扰能 力强、连接简单、施工方便等优点。 2 2 1 磁阻传感器 磁阻传感器是传感器技术的一个重要组成部分，近年来，随着磁性薄膜的各向异 性磁阻效应和铁磁非磁金属多层结构薄膜的巨磁电阻在国外引起了基础理论研究和 应用方面的高度重视，薄膜磁阻传感器迅速成为磁性传感器技术中最活跃的一个分支， 7 2 泊下信息终端的系统设计硕十论文 广泛应用于探矿、地下钻孔、位置检测、航海等方面1 2 引。 而新型地磁车辆检测器可实现与计算机通讯，实现实时信号监控、在线更改设置。 同时使得整体车辆检测系统集成化程度更高。将h m c l 0 0 2 型磁阻与复位电路、运算电 路相结合，用于测量微弱磁场并通过数据采集与微机接口，进行相关性识别与检测。 磁阻传感器是由在硅圆片上电积的一个薄层镍铁( 或称坡莫合金，或镍铁导磁合金) 薄膜制成，并行置成一个电阻带。存在施加磁场时，电桥电阻的变化使电压输出产生 相应的变化【l l 】： 通常施加在薄膜侧的外部磁场，使磁力线产生旋转，并改变其角度，这又使电阻 值发生变化( a r r ) ，并造成惠斯通电桥的电压输出的变化。这种镍铁电阻的变化被称作 磁阻效应，它直接与电流的方向和磁化矢量有关l l 。 磁阻传感器的基础电气元件是惠斯顿电桥，图2 2 1 1 所示为用四个玻莫合金薄膜电 阻制成的带有一个供电电压vb r i d g e 的惠斯顿电桥，供电电压致使电流通过电阻器。电 桥的四个电阻是相同的，当施加外磁场时，其中处于相对位置的两个电阻器产生增量 r ，另外两个电阻器产生减少量r 。这样，电桥输出的表达式： v o u t = 、，o u t + - v o u t ，( a r r ) v b 气嚣+ 二整銮銎竺絮芳 l o f f s e t 最大2 0 f 2 s r + “八八一s r 一 ( 3 ) ( 5 ) i 置何，j 复位 ot - ) 【4 ) 图2 2 1 1 磁阻传感器原理图 霍尼韦尔磁阻传感器是简单的电阻电桥设备，只需要一个供电电压便可测量磁场。 当o 一1 0 伏的电压连接到桥路上时，传感器丌始测量轴线内的环境磁场或施加磁场。 除了电桥电路外，传感器的芯片上有两个磁梢合的电流带偏胃电流带和胃位复位电流 带。制造过程中，敏感轴( 磁场方向) 被设置为沿薄膜长度的方向，这样可使施加在镍铁 薄膜的磁场，导致电阻值的最大变化。但是，沿敏感轴的强磁场( 大于1 0 高斯) 的影响， 会扰乱或翻转薄膜磁化的极性，改变传感器的特性。针对这样的扰动磁场，为了恢复 或置位传感器的特性，必须短暂地施加一个强的恢复磁场，这种做法被称作施加置位 脉冲或复位脉冲。 2 2 2 超声波传感器 超声波是机械波的一种，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程，它的特征 r 硕上论文泊车信息终端设计 是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性好，能够成为射线而定向传播，碰到杂 质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征。 以超声波为检测手段，包括发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成 电量输出的装置称为超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的 超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器( 或称压电式式超声波探头) 和磁致式 超声波传感器【7 1 。本论文采用的是压电式超声波传感器，主要由超声波发射器( 或称发 射探头) 和超声波接收器( 或称接收探头) 两部分组成，它们都是利用压电材料( 如 石英、压电陶瓷) 的压电效应进行工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械 振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动 波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。 一般压电式超声波换能器有两个共振频率：低频共振频率叫串联共振频率( d ，此 时阻耗( r ) 最小，用于发送超声波；高频的共振频率称为逆共振频率( f a ) ，主要是产生 共振，用于接收超声波。而在串联共振频率( e ) 处发送灵敏度最高，在逆共振频率( f a ) 处接收灵敏度最高【_ 7 1 。所以选用一对超声波换能器，使其效率最高。 超声波传感器产生振荡的方法很多，主要有以下几种： ( 1 ) 由外部电路产生振荡，如n e 5 5 5 低频振荡器调韦l j 4 0 k h z 的高频信号，高频信号通 过超声波传感器以声能形式辐射出去。 ( 2 ) 使用工业用小功率超声波收发控制集成电路l m l 8 1 2 驱动发送超声波传感器振 荡。 ( 3 ) 采用单片机内部的定时器或直接使用程序产生固定的脉冲，通过放大处理后驱 动发送超声波传感器产生超声波。这也是本论文超声波传感器产生振荡的主要方法。 在超声检测技术，特别是超声测量技术中使用最广泛的是超声脉冲反射法，通过 测量超声波经反射放大后到达接收端的时间与发射时间之差，实现距离测量，它的原 理是：超声波发射器发出单个或一组超声波脉冲，在发射时刻同时计时器开始计时， 超声波在空气中传播，途中遇到被测目标，经过反射到达超声波接收端，此时停止计 时器计时，得到的时f b j t 就是超声波在发射器和被测目标之间来回传播的时间【3 州。在要 求辨力较高和盲区较短的超声测量技术中，一般使用宽度较窄的脉冲波。本设计中采 用t 4 0 k h z 的连续脉冲。 根据超声波测距的原理，发射换能器发出的超声波，在媒介中传播到物体表面， 经过反射后再通过媒介返回到接收换能器，通过测量超声波从发射到接收所需的时间 ( x t ) ，根据媒介中的声速( v ) ，就能计算出从换能器到物体之| 、日j 的距离。通过判断有效的 回波来确定泊位停靠的车辆。 9 2 泊车信息终端的系统设计硕r 上论文 2 3 泊车信息终端软件系统设计思想 泊车信息终端软件的设计必须考虑到检测的实时性和准确性、软件的响应时间要 短，同时必须满足与咪表通信的实时性要求和带宽要求。因此在设计中主要考虑三个 方面的问题： ( 1 ) 软件系统运行平台的构建，嵌入式系统开发工具选择。由于基于a r m 的芯片 多数为复杂片上系统，需要由软件来设置其需要的工作状态。系统启动时在进入c 语言 的m a i n 函数之前，需要有一段启动程序来完成对a r m 芯片内部集成外围功能初始化、 存储器配置以及地址重映射等任务。 ( 2 ) 程序软件的设计，主要任务是负责传感器信号的处理，以及向咪表主发车来、 车走信息。程序的设计必须满足可控性，即所有传感器参数与泊位参数的设置，可以 由手持机通过咪表对泊车信息终端进行设置和读取，参数存放在外部e 2 p r o m e e ，通过 对外部e 2 p r o m 的读取来完成。传感器信号的采集、捕获与处理设计主要采用中断的方 式。 ( 3 ) 如何实现与咪表网桥的通信，总线通信必须满足实时性和节点可扩充性。设 计中主要采用c a n 总线通信的方式。接收采用中断方式，通讯任务负责被动的接收相 关信息的处理。采用前后台工作方式。 本论文的设计主要是采用了中断的方式来实现对传感器信号的采集与处理及与咪 表的通信。了解各个中断及中断处理过程对于我们编程时更能发挥处理器的性能，从 而满足应用的需要，a r m 处理器对各个中断的响应过程，其处理器硬件自动执行以下 几个步骤： ( 1 ) 保存当前状态、中断屏蔽以及各条件标志位； ( 2 ) 设置当前程序状态寄存器c p s r 中相应的位； ( 3 ) 设置l r 寄存器的返回地址； ( 4 ) 将程序计数器p c ( t q 值设置为异常中断的中断向量地址，从而跳转到相应异常 中断处理程序处执行。 从相应的异常处理程序返回进行两个基本的操作： ( 1 ) 恢复被中断的处理器的状态，即4 各s p s r 寄存器内容复制到状态寄存器中c p s r 中： ( 2 ) 返回发生异常中断的指令的下一条指令处执行，即将l r 寄存器的内容复制到 程序计数器p c q b t 。 本论文设计中采用的l p c 2 1 1 9 是通过向量中断控制器( v i c ) 管理中断。如果v i c 中 使能了相应的外设中断，外设中断才能到达v i c 并向内核发送中断请求；同时只有使能 了内核中断i r q 或者f i q ，内核才能真正产生中断。 1 0 硕上论文泊车信息终端设计 下面给出使用v i c 的i r q q b 断处理的流程： ( 1 ) 用户程序首先要初始化v i c 使能相关中断，然后正常运行用户程序； ( 2 ) 当有i r q 中断产生时，v i c 将会根据中断源设置v i c v e c t a d d r 寄存器为相应中 断服务程序地址； ( 3 ) 切换处理器工作模式为i r q 模式，并跳转到异常向量表的i r q 中断入口 0 0 0 0 0 0 1 8 处： ( 4 ) 读取v i c v e c t a d d r 寄存器的值，然后放入p c 程序指针，跳转到相应中断服务 程序； ( 5 ) 中断服务中执行相应的中断处理，清除中断标志： ( 6 ) 中断服务完成后，切换回原来的模式，并返回中断点。 泊车信息终端与咪表网桥通信采用c a n 总线的方式实现。c a n 总线是一种有效支 持分布式控制或实时控制的串行通信网络，可实现全分布式多机系统；可以用点对点， 一点对多点以及全局广播几种方式传送和接受数据；c a n 总线直接通信距离最远可达 1 0 k m ( 此时传输速率只能达至t 5 k b s ) ，通信速率最高可达1 m b s ( 此时传输距离只能达到 4 0 m ) ；且理论上c a n 总线通信网络的节点数不受限制( 实际上受c a n 收发器芯片驱动能 力的限制) 【4 1 。 泊车信息终端与眯表网桥之间的通信主要实现以下五个基本功能： ( 1 ) 手持机通过咪表网桥设置泊车信息终端参数； ( 2 ) 手持机通过眯表网桥读取泊车信息终端参数； ( 3 ) 向咪表网桥发送车来信息； ( 4 ) 向咪表网桥发送车走信息； ( 5 ) 咪表网桥发送泊车错误信息。 2 4 本章小结 本章主要是论述了泊车信息终端的系统设计的原则及要求，阐述了泊车信息终端 的软、硬件设计思想。对泊车信息终端所采用的相关理论和关键技术进行了论述和说 明。 3 泊车信息终端硬件电路的设计硕l 论文 3 泊车信息终端硬件电路的设计 3 1 硬件系统设计 泊车信息终端是一种管理泊车位的装置，该泊车信息终端可自动识别泊车位停靠 的车辆，并通过c a n 现场总线与咪表网桥进行数据通讯。而无线手持机通过咪表网桥 对泊车信息终端的参数进行设置和读取，管理人员可了解泊车位及泊车信息，泊车刷 卡收费、无卡收费、车辆防窃管理等。 停车场中的泊车位通过在有效泊车位下放置泊车信息终端，当车辆进入泊车位区 域时，泊车信息终端自动识别车辆泊车并完成信息上传功能。泊车信息终端参数的设 置与读取由外部手持机控制。 泊车信息终端电路结构框图如图3 1 1 所示 高亮度 l e d 指示灯 稳压电源 j i 车辆泊何地 1 2 c 微处理器 磁感应电路 ，lc a n 接。 c a n b u s 泊车 m c u ，l j 电路 咪表例桥 车辆何置超卢l 一 波检测电路1 1 7 图3 。1 1 泊车信息终端电路结构框图 主要由以下电路部分组成： ( 1 ) 电源电路：主要是设计一个电源电路满足测量电路所需的5 v 电压和a r m 7 内 核l p c 2 1 1 9 及外围电路所需的3 3 v 和1 8 v 电压，外部电源由c a n 总线提供。 ( 2 ) 地磁感应电路：当车辆泊车时改变了泊车信息终端原始地磁参数，地磁感应 电路进行地磁参数信号的采集，判断车辆进入泊位停车。 ( 3 ) 超声波检测电路：采用超声波检测方法，利用测距原理，通过判断超声波传 感器接收的有效回波，来进一步确定车辆泊车时是否准确的停在泊车位区域内。 ( 4 ) 数据处理控制模块及外围电路：采用低电压、低功耗a r m 7 内核的l p c 2 1 1 9 处理器。设计一个最小化的l p c 2 11 9 内核系统电路，能实时的管理泊车位及车辆泊车， 并通过c a n 现场总线与咪表网桥进行数据通讯。 硕j 二论文 泊车信息终端设计 ( 5 ) c a n 总线通信接i s l 电路：选择c a n 接口控制芯片，完成c a n 接口的硬件电 路设计。 ( 6 ) 高亮度l e d 泊位指示电路：主要指示泊车位及引导车辆泊车。 3 2 电源电路的设计 泊车信息终端电路主要需要三种电压：5 v ，1 8 v 和3 3 v 。传感器电路、l e d 指示 灯电源及c a n 接口电路需要5 v 电源；内核l p c 2 1 1 9 使用两组电源，i o 口供电电源为 3 3 v ，内核以及片内外设供电电源为1 8 v 。 泊车信息终端的外部电源由眯表网桥通过c a n 总线提供a c l 5 v 电源，由于传感器 电路与c a n 接口电路需要的负载驱动电流比较大，在这里选用了l m 2 5 9 6 开关电压调 节器来提供5 v 电源。内核l p c 2 1 1 9 系统使用的两组电源电压要求比较高，且其功耗不 是很大，所以不适合用开关电源，应当使用低压差模拟电源。 c a n 总线提供a c l 5 v 电源，经整流桥整形后，通过开关电压调压器后经稳压和滤 波后输出5 v 电压。5 v 电压经过低压差电压调级器后，提供1 8 v 和3 3 v 两种电压给主板 供电。在这罩我们主要选取了l m 2 5 9 6 开关电压调节器和l d o 低噪声低压差电压调节 器r 1 1 1 1 n ，具体电路设计如图3 2 1 所示。 图3 2 1 泊车信息终端电源原理图 其中l m 2 5 9 6 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3 a 的驱 动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，我们采用- ；5 v 固定版本输出。该器件 内部集成频率补偿和固定频率发生器，丌关频率为1 5 0 k h z ，与低频丌关调节器相比较， 可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4 个外接元件，可以使用通用的标准电 感，这更优化了l m 2 5 9 6 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。 3 3 泊车信息终端c p u 及外围器件的选择 本论文中的数据处理控制模块采用低电压、低功耗a r m 7 内核的l p c 2 11 9 处理器， 并设计一个最小化的l p c 2 11 9 系统电路，能实时的管理泊车位及车辆的泊车，并通过 1 3 3 泊下信息终端硬件电路的设计 硕1 j 论文 c a n 现场总线与咪表网桥进行数据通讯。对于l p c 2 1 1 9 芯片，最小系统需要两组电源、 系统时钟电路，复位电路及j t a g 电路。 3 3 1l p c 21 19 简介 在本设计中选用的p h i l i p s 公司的芯片n x pl p c 2 11 9 ，是基于一个支持实时仿真和 跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s t mc p u ，并带有1 2 8 k 字节( r d 3 ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。 1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2