基于DSP的閘機(jī)控制技術(shù)

賀子鋼，包建東

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)

0 引言

閘機(jī)作為自動(dòng)檢票設(shè)備，被應(yīng)用于很多不同的場(chǎng)合，而最常見的是用在軌道交通AFC系統(tǒng)中，對(duì)閘機(jī)的部分組件進(jìn)行改造后也可應(yīng)用于游樂場(chǎng)、圖書館的檢票系統(tǒng)以及企事業(yè)單位的考勤系統(tǒng)等場(chǎng)合。以保證持票乘客可以安全進(jìn)出、阻止無票乘客出入的“看門人”［1］，在整個(gè)AFC系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。

本文提出了一種基于DSP芯片TMS320F2812主控芯片閘機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘機(jī)兩扇門的精確控制。該系統(tǒng)包括閘機(jī)通道傳感器布置設(shè)計(jì)、主控板硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的特點(diǎn):1)采用新的通道傳感器布置方案；2)使用CANopen通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)主控板對(duì)閘機(jī)扇門精確控制。通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性，保證了閘機(jī)扇門開合的快速性、準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)時(shí)性，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)備設(shè)計(jì)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。

1 閘機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)閘機(jī)控制系統(tǒng)可以分為兩個(gè)主要部分:主控單元和通道傳感器陣列。主控單元主要負(fù)責(zé)運(yùn)行控制軟件部分，完成通道傳感器信號(hào)采集、通行識(shí)別算法、數(shù)據(jù)處理、扇門控制算法等功能。

閘機(jī)扇門控制系統(tǒng)是本文研究的重點(diǎn)，其設(shè)計(jì)品質(zhì)不僅關(guān)系到閘機(jī)的主要性能，而且還將直接影響到整個(gè)自動(dòng)售檢票系統(tǒng)的成敗。該系統(tǒng)主要對(duì)通道內(nèi)乘客的通行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，保證持票乘客能夠順利的通行，阻止各種非法通行，同時(shí)也提高了通行識(shí)別率、通行速度，最大程度上保證了乘客的通行安全和通行舒適度。扇門控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 閘機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

扇門控制系統(tǒng)各部分功能如下。

通道傳感器陣列:主要完成采集通道傳感器實(shí)時(shí)狀態(tài)的功能、人體和物體識(shí)別的功能等，根據(jù)通行算法處理結(jié)果給出正確的判斷，正常情況發(fā)給扇門執(zhí)行控制模塊開門或關(guān)門的命令，異常情況發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

扇門控制模塊:根據(jù)通行識(shí)別模塊的命令來驅(qū)動(dòng)扇門開啟與關(guān)閉。在保證乘客通行安全的前提下，正確控制扇門的動(dòng)作，使得左、右兩扇門能夠同步、平穩(wěn)，迅速的到位。

報(bào)警及通行狀態(tài)顯示模塊:通行狀態(tài)顯示模塊主要負(fù)責(zé)顯示閘機(jī)通道內(nèi)的狀態(tài)，如閘門正常開、關(guān)和乘客正常通行或乘客非法闖入等不同情形。當(dāng)出現(xiàn)各種非法通行情況時(shí)，報(bào)警模塊發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提示管理人員進(jìn)行相應(yīng)操作。

系統(tǒng)通訊模塊:主要包含與PC機(jī)通信的RS232，與中央控制單元通信的RS485以及主控板與扇門控制模塊通信的CANopen通信模塊。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 傳感器布置

在閘機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)通道行人通行的精確識(shí)別是閘機(jī)控制技術(shù)的重要組成部分，因此對(duì)閘機(jī)傳感器的選擇和布置的要求比較高，對(duì)于閘機(jī)的智能識(shí)別系統(tǒng)，通常采用的是反應(yīng)靈敏、快速的對(duì)射式紅外傳感器，特別適合于識(shí)別運(yùn)動(dòng)體的通行情況。對(duì)射式紅外傳感器由投光器和受光器兩個(gè)部分組成，它們被平行布置在閘機(jī)左右兩側(cè)的內(nèi)側(cè)，投光器和受光器之間不存在物體時(shí)，受光器會(huì)接收到投光器發(fā)射的紅外線，此時(shí)傳感器所對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)為“0”；投光器和受光器之間存在物體時(shí)，物體會(huì)擋住投光器發(fā)射的紅外線，此時(shí)傳感器的狀態(tài)變?yōu)椤?”。通道傳感器的工作原理如圖2所示。

圖2 對(duì)射型紅外傳感器工作原理示意圖

通道傳感器的空間布局主要取決于通行目標(biāo)，即行人以及人和行李行走時(shí)的特征。同時(shí)也要考慮到閘機(jī)本身尺寸的大小，因?yàn)閭鞲衅鞫际且惭b在閘機(jī)機(jī)殼內(nèi)部的。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)男性的步長(zhǎng)為550mm～775mm，女性為500mm～700mm［1］。根據(jù)測(cè)量，一般情況下準(zhǔn)確測(cè)出行人通行情況需要3～5步，因此閘機(jī)長(zhǎng)度可以設(shè)定為2m左右，閘機(jī)的收費(fèi)高度一般根據(jù)各地的情況而定，基本上在1 200mm左右。通道傳感器布置示意圖3所示。

圖3 通道傳感器布置示意圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)按功能主要由通行識(shí)別模塊、通行顯示模塊和扇門控制控制模塊三部分組成，其主要實(shí)現(xiàn)對(duì)通行目標(biāo)通過閘機(jī)時(shí)的行為進(jìn)行檢測(cè)及識(shí)別，并根據(jù)系統(tǒng)的判斷結(jié)果來控制扇門控制模塊工作。其中，通行識(shí)別模塊中主要的組成部件是18對(duì)通道傳感器，對(duì)通行目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，閘機(jī)扇門控制系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 閘機(jī)扇門控制系統(tǒng)組成示意圖

針對(duì)閘機(jī)扇門控制系統(tǒng)所需完成的功能，本設(shè)計(jì)選用TI公司的TMS320F2812作為主控芯片。該芯片采用32位高性能的CMOS技術(shù)，主頻可達(dá)150MHz，它集成事件管理器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、SCI通信接口、SPI外設(shè)接口、eCAN總線通信模塊、通用數(shù)字I/O口、外部中斷等多功能模塊［3］。其資源分配如下:

1)GPIOA和GPIOB用于采集18路通道傳感器信號(hào)。

2)部分GPIOB，GPIOE和GPIOF用于聲光報(bào)警和通行狀態(tài)顯示模塊。

3)部分GPIOF和GPIOB預(yù)留接口，可用于外部模擬刷卡等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主體軟件

軟件品質(zhì)直接關(guān)系到該系統(tǒng)的正常、準(zhǔn)確、高效的運(yùn)行，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)一定要理清系統(tǒng)工作的邏輯順序，在基于硬件的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)的軟件按功能可分為兩大部分:通行識(shí)別軟件部分主要指通行識(shí)別算法，對(duì)通道傳感器采集的狀態(tài)信息進(jìn)行分析處理并給出正確判斷；扇門控制軟件部分的主要任務(wù)是控制扇門模塊運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊使扇門能夠平穩(wěn)、快速到位，并且在誤動(dòng)時(shí)上傳報(bào)警信息。

根據(jù)系統(tǒng)需求及設(shè)計(jì)基本原則，該系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖5［2］所示。由于C語言可移植性較強(qiáng)，因而本系統(tǒng)選擇在TI公司提供的CCS3.3編程環(huán)境中用C語言進(jìn)行程序編寫。

3.2 CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)

根據(jù)CANopen協(xié)議通訊規(guī)范CiA DS一301和DS一402(伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備子協(xié)議)規(guī)定的一系列設(shè)備規(guī)范對(duì)通信對(duì)象字典(OD)、SDO報(bào)文、PDO報(bào)文格式進(jìn)行參數(shù)設(shè)定［4-5］。工作流程如圖 6［6］。

圖5 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)語

介紹一種基于DSP芯片TMS320F2812的閘機(jī)控制技術(shù)，采用面向?qū)ο蟮乃枷朐O(shè)計(jì)，具有很好的模塊化特性和很高的適應(yīng)性。通過后期的調(diào)試和測(cè)試，該設(shè)計(jì)很好的解決了閘機(jī)扇門控制的準(zhǔn)確性、及時(shí)性、安全性等問題，也使得系統(tǒng)具有模塊化特性，便于后期的維護(hù)、升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 CANopen通信工作流程

［1］李建省.軌道交通閘機(jī)控制系統(tǒng)中人體識(shí)別技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.上海:上海大學(xué)，2008.

［2］和麗真.自動(dòng)檢票閘機(jī)拍打門控制系統(tǒng)研究［D］.南京:南京理工大學(xué).2013.

［3］顧衛(wèi)剛.手把手教你學(xué)DSP—基于TMS320X281x［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］Elmo Motion Control CANopen DS 301 Implementation Guide.Elmo Motion Control.2003.9.

［5］Elmo Motion Control CANopen DSP 402 Implementation Guide.Elmo Motion Control.2003.9.

［6］Holger Zeltwanger.現(xiàn)場(chǎng)總線CANopen設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.周立功，等譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.