CN106681220A - 基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动作控制系统 - Google Patents

基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动作控制系统 Download PDF

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CN106681220A CN201710025032.0A CN201710025032A CN106681220A CN 106681220 A CN106681220 A CN 106681220A CN 201710025032 A CN201710025032 A CN 201710025032A CN 106681220 A CN106681220 A CN 106681220A
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Abstract

本发明涉及基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动作控制系统。由中央处理器将控制指令和配置信息写入主控可编程逻辑器件，再由主控可编程逻辑器件分发至对应的分控可编程逻辑器件，进而控制换电站内的机械电气设备；中央处理器与主控可编程逻辑器件之间通过GPMC并行总线进行通信，主控可编程逻辑器件同各分控可编程逻辑器件之间采用基于曼彻斯特编码的串行式光纤通信，这样做具有较高的传输速率和抗干扰性能，保证了信息传输的实时性和可靠性；各分控可编程逻辑器件之间软件、硬件、机械、电气相互独立，无直接信息交互，使得系统在升级与维护时具有较高的灵活性。相比传统的PLC方式，大大降低了硬件成本。

Description

基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动作控制系统
技术领域
本发明涉及电动汽车换电领域，具体涉及一种基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动作控制系统。
背景技术
近年来，环境污染日益严重，石油资源不断耗尽，燃油汽车正面临严峻的挑战，社会也将目光投向了电动汽车，而电动汽车的里程忧虑一直是业内急需解决的问题，所以能否为电动汽车提供良好的加电体验是影响电动汽车未来发展普及的一个重要因素。
在诸多的加电方式中，换电方式是一种快速、方便、安全的办法。换电站由停车平台、取换电池小车、电池存储架、电池仓升降机以及其他辅助设备等组成，而换电过程需要这些部件统一协作来完成，每个部件中又分别包含有多个执行机构，用伺服电机控制这些执行机构的动作，为此需要一个统一的控制芯片来协调这些执行机构的动作保持一致性及连贯性，以保证换电动作的顺利完成。
PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)因其高可靠性、高抗干扰性、使用方便、开发周期短等特点，被广泛应用在传统工控领域。但PLC存在一些很明显的不足，如：价格昂贵、通信方式单一且通信协议具有高度定制性、I/O(输入/输出)点及存储空间有限、程序可扩展性及可移植性不好等。因此，PLC不能够充分满足换电系统控制器经济性、智能化及快速响应的要求。同时，换电动作芯片采用了较多的电机，这些电机均配有变频驱动器，造成换电站内复杂的电磁环境，对于通信有较大的干扰。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动作控制系统，大大降低了硬件成本，又有效避免了通信干扰，提高了系统的实时性和可靠性；而且提高了系统的灵活性，方便升级与维护。
本发明提出一种基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动作控制系统，包括中央处理器和可编程逻辑器件；
所述中央处理器，根据通信点表约定的格式，将机械电气设备的配置参数或控制指令写入所述可编程逻辑器件；
所述可编程逻辑器件，读取所述配置参数或控制指令，并据此控制机械电气设备。
优选地，所述可编程逻辑器件，读取机械电气设备的状态信息；
所述中央处理器，根据所述通信点表约定的格式，从所述可编程逻辑器件读取所述机械电气设备的状态信息。
优选地，所述中央处理器与所述可编程逻辑器件之间通过GPMC(General-PurposeMemory Controller，即通用存储控制器)并行总线进行通信。
优选地，所述通信点表采用XML(Extensible Markup Language，可扩展标记语言)格式的文件。
优选地，所述可编程逻辑器件，包括主控可编程逻辑器件和分控可编程逻辑器件；
所述主控可编程逻辑器件，用于读取由所述中央处理器写入的所述配置参数或控制指令，并将所述配置参数或控制指令发送至所述分控可编程逻辑器件；
所述分控可编程逻辑器件，根据接收到的所述配置参数或控制指令，配置所述机械电气设备的参数，或控制所述机械电气设备执行相应的换电动作。
优选地，所述分控可编程逻辑器件，包括第一分控可编程逻辑器件、第二分控可编程逻辑器件、第三分控可编程逻辑器件、第四分控可编程逻辑器件和第五分控可编程逻辑器件；
所述主控可编程逻辑器件，将所述配置参数或控制指令分发至对应的第一分控可编程逻辑器件、第二分控可编程逻辑器件、第三分控可编程逻辑器件、第四分控可编程逻辑器件或第五分控可编程逻辑器件；
所述第一分控可编程逻辑器件，用于控制停车平台；
所述第二分控可编程逻辑器件，用于控制取换电小车；
所述第三分控可编程逻辑器件，用于控制电池仓升降机；
所述第四分控可编程逻辑器件，用于控制电池存储架；
所述第五分控可编程逻辑器件，用于控制辅助设备。
优选地，所述主控可编程逻辑器件与所述分控可编程逻辑器件之间采用基于曼彻斯特编码的串行通讯方式。
优选地，所述主控可编程逻辑器件与所述分控可编程逻辑器件之间采用光纤通讯。
优选地，在所述中央处理器上构建人机交互模块和通信模块；在所述主控可编程逻辑器件上构建总体逻辑控制模块，在所述第一分控可编程逻辑器件上构建停车平台分控模块，在所述第二分控可编程逻辑器件上构建取换电小车分控模块，在所述第三分控可编程逻辑器件上构建电池仓升降机分控模块，在所述第四分控可编程逻辑器件上构建电池存储架分控模块，在所述第五分控可编程逻辑器件上构建辅助设备分控模块；
所述人机交互模块，提供对换电站内所有模块的访问控制，操作员能够通过该模块查看换电站内所有模块的信息，并实现对换电站各机械电气设备的控制及运行参数设置；
所述通信模块，提供对外交互接口，获取外界的控制命令并完成相应功能；
所述总体逻辑控制模块，综合人机交互模块和通信模块的控制命令，结合实时收集到的各分控模块的状态信息，决策出系统的下一步执行动作，并将控制指令发送至相应的分控模块；
所述停车平台分控模块，控制停车平台执行的动作包括：车辆定位、平台抬升；
所述取换电小车分控模块，控制取换电小车执行的动作包括：从车辆上卸下待充电的动力电池、与电池仓升降机进行动力电池交换、安装满电动力电池到车辆上；
所述电池仓升降机分控模块，控制电池仓升降机执行的动作包括：从电池存储架接收满电动力电池,去电池交换处与取换电小车进行动力电池交换、将待充电的动力电池送回电池存储架；
所述电池存储架分控模块，控制电池存储架执行的动作包括：向电池仓升降机传送满电动力电池、接收电池仓升降机送回的待充电的动力电池；
所述辅助设备分控模块，控制的辅助设备包括：坡道、卷帘门、空调和照明设备。
优选地，所述中央处理器与所述主控可编程逻辑器件设置在同一块电路板上，第一分控可编程逻辑器件、第二分控可编程逻辑器件、第三分控可编程逻辑器件、第四分控可编程逻辑器件和第五分控可编程逻辑器件分别设置在单独的电路板上。
优选地，各分控可编程逻辑器件通过一收一发两根光纤同所述主控可编程逻辑器件进行全双工通信，接收所述主控可编程逻辑器件分发的所述配置参数或控制命令；各分控可编程逻辑器件引出所需的I/O端子，控制相应的机械电气设备，完成所述参数配置或控制指令。
优选地，所述中央处理器与所述主控可编程逻辑器件通信时，采用和校验。
优选地，所述主控可编程逻辑器件与各分控可编程逻辑器件之间通信时，采用CRC(Cyclic Redundancy Check,循环冗余校验)校验。
优选地，所述中央处理器为ARM(Advanced RISC Machines)，并在ARM上运行linux系统。
优选地，所述可编程逻辑器件为FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)或CPLD(Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)。
本发明采用基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动控制系统，相比传统的PLC方式，大大降低了硬件成本；中央处理器与主控可编程逻辑器件之间通过GPMC并行总线进行通信，主控可编程逻辑器件同各分控可编程逻辑器件之间采用基于曼彻斯特编码的串行式光纤通信，这样做具有较高的传输速率和抗干扰性能，保证了信息传输的实时性和可靠性；各分控可编程逻辑器件之间软件、硬件、机械、电气相互独立，无直接信息交互，使得系统在升级与维护时具有较高的灵活性。
方案1、一种基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动作控制系统，其特征在于，该系统包括中央处理器和可编程逻辑器件；
所述中央处理器，根据通信点表约定的格式，将机械电气设备的配置参数或控制指令写入所述可编程逻辑器件；
所述可编程逻辑器件，读取所述配置参数或控制指令，并据此控制所述机械电气设备。
方案2、根据方案1所述的系统，其特征在于：
所述可编程逻辑器件，读取所述机械电气设备的状态信息；
所述中央处理器，根据所述通信点表约定的格式，从所述可编程逻辑器件读取所述机械电气设备的状态信息。
方案3、根据方案2所述的系统，其特征在于，所述中央处理器与所述可编程逻辑器件之间通过GPMC并行总线进行通信。
方案4、根据方案1所述的系统，其特征在于，所述通信点表为采用XML格式的文件。
方案5、根据方案1所述的系统，其特征在于，
所述可编程逻辑器件，其包括主控可编程逻辑器件和分控可编程逻辑器件；
所述主控可编程逻辑器件，用于读取由所述中央处理器写入的所述配置参数或控制指令，并将所述配置参数或控制指令发送至所述分控可编程逻辑器件；
所述分控可编程逻辑器件，根据接收到的所述配置参数或控制指令，配置所述机械电气设备的参数，或控制所述机械电气设备执行相应的换电动作。
方案6、根据方案5所述的系统，其特征在于，所述分控可编程逻辑器件，包括第一分控可编程逻辑器件、第二分控可编程逻辑器件、第三分控可编程逻辑器件、第四分控可编程逻辑器件和第五分控可编程逻辑器件；
所述主控可编程逻辑器件，将所述配置参数或控制指令分发至对应的所述第一分控可编程逻辑器件、所述第二分控可编程逻辑器件、所述第三分控可编程逻辑器件、所述第四分控可编程逻辑器件或所述第五分控可编程逻辑器件；
所述第一分控可编程逻辑器件，用于控制停车平台；
所述第二分控可编程逻辑器件，用于控制取换电小车；
所述第三分控可编程逻辑器件，用于控制电池仓升降机；
所述第四分控可编程逻辑器件，用于控制电池存储架；
所述第五分控可编程逻辑器件，用于控制辅助设备。
方案7、根据方案5所述的系统，其特征在于，所述主控可编程逻辑器件与所述分控可编程逻辑器件之间采用基于曼彻斯特编码的串行通讯方式。
方案8、根据方案5所述的系统，其特征在于，所述主控可编程逻辑器件与所述分控可编程逻辑器件之间采用光纤通讯。
方案9、根据方案8所述的系统，其特征在于，在所述中央处理器上构建人机交互模块和通信模块，在所述主控可编程逻辑器件上构建总体逻辑控制模块，在所述第一分控可编程逻辑器件上构建停车平台分控模块，在所述第二分控可编程逻辑器件上构建取换电小车分控模块，在所述第三分控可编程逻辑器件上构建电池仓升降机分控模块，在所述第四分控可编程逻辑器件上构建电池存储架分控模块，在所述第五分控可编程逻辑器件上构建辅助设备分控模块；
所述人机交互模块，提供对换电站内所有模块的访问控制，操作员能够通过该模块查看换电站内所有模块的信息，并实现对换电站各机械电气设备的控制及运行参数设置；
所述通信模块，提供对外交互接口，获取外界的控制命令并完成相应功能；
所述总体逻辑控制模块，综合所述人机交互模块和所述通信模块的控制命令，结合实时收集到的各分控模块的状态信息，决策出系统的下一步执行动作，并将控制指令发送至相应的所述分控模块；
所述停车平台分控模块，控制停车平台执行的动作包括：车辆定位、平台抬升；
所述取换电小车分控模块，控制取换电小车执行的动作包括：从车辆上卸下待充电的动力电池、与电池仓升降机进行动力电池交换、安装满电动力电池到车辆上；
所述电池仓升降机分控模块，控制电池仓升降机执行的动作包括：从电池存储架接收满电动力电池,去电池交换处与取换电小车进行动力电池交换、将待充电的动力电池送回电池存储架；
所述电池存储架分控模块，控制电池存储架执行的动作包括：向电池仓升降机传送满电动力电池、接收电池仓升降机送回的待充电的动力电池；
所述辅助设备分控模块，控制的辅助设备包括：坡道、卷帘门、空调和照明设备。
方案10、根据方案6～9中任一项所述的系统，其特征在于，所述中央处理器与所述主控可编程逻辑器件设置在同一块电路板上，所述第一分控可编程逻辑器件、所述第二分控可编程逻辑器件、所述第三分控可编程逻辑器件、所述第四分控可编程逻辑器件和所述第五分控可编程逻辑器件分别设置在单独的电路板上。
方案11、根据方案6～9中任一项所述的系统，其特征在于，各分控可编程逻辑器件通过一收一发两根光纤同所述主控可编程逻辑器件进行全双工通信，接收所述主控可编程逻辑器件分发的所述配置参数或控制命令；所述各分控可编程逻辑器件引出所需的I/O端子，控制相应的机械电气设备，完成所述参数配置或控制指令。
方案12、根据方案6～9中任一项所述的系统，其特征在于，所述中央处理器与所述主控可编程逻辑器件通信时，采用和校验。
方案13、根据方案6～9中任一项所述的系统，其特征在于，所述主控可编程逻辑器件与各分控可编程逻辑器件之间通信时，采用CRC校验。
方案14、根据方案1～9中任一项所述的系统，其特征在于，所述中央处理器为ARM，并基于linux系统运行。
方案15、根据方案1～9中任一项所述的系统，其特征在于，所述可编程逻辑器件为FPGA或CPLD。
附图说明
图1是本实施例中换电动作控制系统的构成示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明提出一种基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动作控制系统，包括中央处理器和可编程逻辑器件；中央处理器根据通信点表约定的格式，将机械电气设备的配置参数或控制指令写入可编程逻辑器件；可编程逻辑器件读取配置参数或控制指令，并据此控制机械电气设备。
本实施例中，可编程逻辑器件读取机械电气设备的状态信息。中央处理器根据通信点表约定的格式，从可编程逻辑器件读取机械电气设备的状态信息。
本实施例中，中央处理器与可编程逻辑器件之间通过GPMC并行总线进行通信。
本实施例中，通信点表采用XML格式的文件。如需更改通信点表，则只需更改XML文件和FPGA中的程序即可，不必修改ARM中的程序，可在较大程度上减小工作量。
本实施例中，可编程逻辑器件包括主控可编程逻辑器件和分控可编程逻辑器件。其中，主控可编程逻辑器件用于读取由中央处理器写入的配置参数或控制指令，并将配置参数或控制指令发送至分控可编程逻辑器件。分控可编程逻辑器件根据接收到的配置参数或控制指令，配置机械电气设备的参数，或控制机械电气设备执行相应的换电动作。
本实施例中，分控可编程逻辑器件包括第一分控可编程逻辑器件、第二分控可编程逻辑器件、第三分控可编程逻辑器件、第四分控可编程逻辑器件和第五分控可编程逻辑器件；
主控可编程逻辑器件将配置参数或控制指令分发至对应的第一分控可编程逻辑器件、第二分控可编程逻辑器件、第三分控可编程逻辑器件、第四分控可编程逻辑器件或第五分控可编程逻辑器件；
第一分控可编程逻辑器件，用于控制停车平台；
第二分控可编程逻辑器件，用于控制取换电小车；
第三分控可编程逻辑器件，用于控制电池仓升降机；
第四分控可编程逻辑器件，用于控制电池存储架；
第五分控可编程逻辑器件，用于控制辅助设备。
本实施例中，主控可编程逻辑器件与分控可编程逻辑器件之间采用基于曼彻斯特编码的串行通讯方式。
本实施例中，主控可编程逻辑器件与分控可编程逻辑器件之间采用光纤通讯。
本实施例中，中央处理器为ARM，且基于linux系统运行。
本实施例中，可编程逻辑器件为FPGA或CPLD。
本实施例中，如图1所示，在ARM上构建人机交互模块和通信模块，在主控FPGA上构建总体逻辑控制模块，在第一分控FPGA上构建停车平台分控模块，在第二分控FPGA上构建取换电小车分控模块，在第三分控FPGA上构建电池仓升降机分控模块，在第四分控FPGA上构建电池存储架分控模块，在第五分控FPGA上构建辅助设备分控模块；
人机交互模块提供对换电站内所有模块的访问控制，操作员能够通过该模块查看换电站内所有模块的信息，并实现对换电站各机械电气设备的控制及运行参数设置；
通信模块提供对外交互接口，获取外界的控制命令(例如来自云端服务器的控制命令)并完成相应功能；
总体逻辑控制模块综合人机交互模块和通信模块的控制命令，结合实时收集到的各分控模块的状态信息，决策出系统的下一步执行动作，并将控制指令发送至相应的分控模块；
停车平台分控模块控制停车平台执行的动作包括：车辆定位、平台抬升；
取换电小车分控模块控制取换电小车执行的动作包括：从车辆上卸下待充电的动力电池、与电池仓升降机进行动力电池交换、安装满电动力电池到车辆上；
电池仓升降机分控模块控制电池仓升降机执行的动作包括：从电池存储架接收满电动力电池，去电池交换处与取换电小车进行动力电池交换、将待充电的动力电池送回电池存储架；
电池存储架分控模块控制电池存储架执行的动作包括：向电池仓升降机传送满电动力电池、接收电池仓升降机送回的待充电的动力电池；
辅助设备分控模块控制的辅助设备包括：坡道、卷帘门、空调和照明设备等。
本实施例中，中央处理器与主控可编程逻辑器件设置在同一块电路板上，第一分控可编程逻辑器件、第二分控可编程逻辑器件、第三分控可编程逻辑器件、第四分控可编程逻辑器件和第五分控可编程逻辑器件分别设置在单独的电路板上。
本实施例中，各分控可编程逻辑器件通过一收一发两根光纤同主控可编程逻辑器件进行全双工通信，接收主控可编程逻辑器件分发的配置参数或控制命令；各分控可编程逻辑器件引出所需的I/O端子，控制相应的机械电气设备，完成参数配置或控制指令。
本实施例中，中央处理器与主控可编程逻辑器件通信时，采用和校验。
本实施例中，主控可编程逻辑器件与各分控可编程逻辑器件之间通信时，采用CRC校验。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于中央处理器和可编程逻辑器件的换电动作控制系统，其特征在于，该系统包括中央处理器和可编程逻辑器件；
所述中央处理器，根据通信点表约定的格式，将机械电气设备的配置参数或控制指令写入所述可编程逻辑器件；
所述可编程逻辑器件，读取所述配置参数或控制指令，并据此控制所述机械电气设备。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述可编程逻辑器件，读取所述机械电气设备的状态信息；
所述中央处理器，根据所述通信点表约定的格式，从所述可编程逻辑器件读取所述机械电气设备的状态信息。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述中央处理器与所述可编程逻辑器件之间通过GPMC并行总线进行通信。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通信点表为采用XML格式的文件。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述可编程逻辑器件，其包括主控可编程逻辑器件和分控可编程逻辑器件；
所述主控可编程逻辑器件，用于读取由所述中央处理器写入的所述配置参数或控制指令，并将所述配置参数或控制指令发送至所述分控可编程逻辑器件；
所述分控可编程逻辑器件，根据接收到的所述配置参数或控制指令，配置所述机械电气设备的参数，或控制所述机械电气设备执行相应的换电动作。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述分控可编程逻辑器件，包括第一分控可编程逻辑器件、第二分控可编程逻辑器件、第三分控可编程逻辑器件、第四分控可编程逻辑器件和第五分控可编程逻辑器件；
所述主控可编程逻辑器件，将所述配置参数或控制指令分发至对应的所述第一分控可编程逻辑器件、所述第二分控可编程逻辑器件、所述第三分控可编程逻辑器件、所述第四分控可编程逻辑器件或所述第五分控可编程逻辑器件；
所述第一分控可编程逻辑器件，用于控制停车平台；
所述第二分控可编程逻辑器件，用于控制取换电小车；
所述第三分控可编程逻辑器件，用于控制电池仓升降机；
所述第四分控可编程逻辑器件，用于控制电池存储架；
所述第五分控可编程逻辑器件，用于控制辅助设备。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述主控可编程逻辑器件与所述分控可编程逻辑器件之间采用基于曼彻斯特编码的串行通讯方式。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述主控可编程逻辑器件与所述分控可编程逻辑器件之间采用光纤通讯。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述中央处理器上构建人机交互模块和通信模块，在所述主控可编程逻辑器件上构建总体逻辑控制模块，在所述第一分控可编程逻辑器件上构建停车平台分控模块，在所述第二分控可编程逻辑器件上构建取换电小车分控模块，在所述第三分控可编程逻辑器件上构建电池仓升降机分控模块，在所述第四分控可编程逻辑器件上构建电池存储架分控模块，在所述第五分控可编程逻辑器件上构建辅助设备分控模块；
所述人机交互模块，提供对换电站内所有模块的访问控制，操作员能够通过该模块查看换电站内所有模块的信息，并实现对换电站各机械电气设备的控制及运行参数设置；
所述通信模块，提供对外交互接口，获取外界的控制命令并完成相应功能；
所述总体逻辑控制模块，综合所述人机交互模块和所述通信模块的控制命令，结合实时收集到的各分控模块的状态信息，决策出系统的下一步执行动作，并将控制指令发送至相应的所述分控模块；
所述停车平台分控模块，控制停车平台执行的动作包括：车辆定位、平台抬升；
所述取换电小车分控模块，控制取换电小车执行的动作包括：从车辆上卸下待充电的动力电池、与电池仓升降机进行动力电池交换、安装满电动力电池到车辆上；
所述电池仓升降机分控模块，控制电池仓升降机执行的动作包括：从电池存储架接收满电动力电池,去电池交换处与取换电小车进行动力电池交换、将待充电的动力电池送回电池存储架；
所述电池存储架分控模块，控制电池存储架执行的动作包括：向电池仓升降机传送满电动力电池、接收电池仓升降机送回的待充电的动力电池；
所述辅助设备分控模块，控制的辅助设备包括：坡道、卷帘门、空调和照明设备。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的系统，其特征在于，所述中央处理器与所述主控可编程逻辑器件设置在同一块电路板上，所述第一分控可编程逻辑器件、所述第二分控可编程逻辑器件、所述第三分控可编程逻辑器件、所述第四分控可编程逻辑器件和所述第五分控可编程逻辑器件分别设置在单独的电路板上。
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