fpga設計與應用：智能小車設計方案

　　前言：智能監(jiān)控機器人是近年來機器人應用工程中一項前沿性的題目，智能化探測小車是智能行走機器人的一種。智能監(jiān)控機器小車就是針對上述情況，在參考 了目前大多數(shù)智能機器人的基礎上，以降低成本為原則設計的。小車具備溫濕度和環(huán)境監(jiān)測、無線通信、躲避障礙物以及無線遙控等功能。此智能監(jiān)控機器小車與目 前已有的同類設計相比，有性價比高、操作方便、可靠性好、功耗小等優(yōu)點。

　 系統(tǒng)結(jié)構及硬件設計

　　整個系統(tǒng)由發(fā)送端（智能小車部分）和接收端（控制臺：控制和顯示部分）組成，如圖1所示。系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、動力及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、CCD圖像傳感器模塊、 LCD顯示、溫度和濕度測量電路和供電系統(tǒng)等組成，整個系統(tǒng)的控制核心以2片Altera公司的EP2C20F484為核心，在Altera公司的 QuartusⅡ和SoPC Builder開發(fā)環(huán)境中完成。根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構添加所需要的外圍模塊并生成NiosⅡCPU。

　　1．1 供電系統(tǒng)

　　小車安裝了兩塊充電電池，分別為FPGA開發(fā)板（FPGA控制電路）和小車運動提供能量，電池置于車身底部。

　　1．2 傳感器系統(tǒng)

　　系統(tǒng)采用了6個紅外對射傳感器，通過FPGA配置的NiosⅡCPU來檢測傳感器信號實現(xiàn)小車躲避障礙物的功能。漫反射型紅外對射傳感器也稱光電開關， 是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，多用于檢測障礙物。原理是由光電開關輻射出來的調(diào)制紅外光束被檢測物體反射回來，紅外線經(jīng)同步選通接收，由電子開 關線路驅(qū)動回路，從而來檢測物體的有或無。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關是首選的檢測模式。這種電路模塊體積小，信號容易 轉(zhuǎn)化為標準電平。

　　1．3 動力及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　本小車有左右輪兩個電機及龜機驅(qū)動。驅(qū) 動電路采用了CT Microelecttonics公司的大功率直流電機驅(qū)動芯片L298，最高支持50 V電壓，最大電流為5 A，滿足大功率電動機的要求，外圍電路簡單，同時，由于該芯片為雙路結(jié)構，分別控制左右電動機，增加了電路的可靠性，減少了復雜性。電機控制采用PWM脈 沖寬度調(diào)制方式來控制汽車的前進速度。由NiosⅡCPU寫入控制字，可得到不同占空比的PWM驅(qū)動信號，此PWM信號送入電機驅(qū)動芯片的控制端來調(diào)節(jié)速 度。

　　1．4 小車自動避障系統(tǒng)

　　小車自動避障系統(tǒng)采用Verilog HDL語言編寫驅(qū)動電路。該模塊（見圖2中的MOTOR）和一個數(shù)據(jù)選擇器（見圖2中的select_2）相連來實現(xiàn)自動避障與人工遙控之間的切換。當小 車上NiosⅡCPU的SEL管腳輸出低電平時，數(shù)據(jù)選擇器將把該模塊的輸出作為電機的控制指令。這樣設計的好處在于設計具有響應迅速，不需要NiosⅡ CPU參與，提高了CPU處理濕度、溫度數(shù)據(jù)并控制無線模塊收發(fā)數(shù)據(jù)的效率。該邏輯電路的工作原理是根據(jù)紅外傳感器發(fā)回來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過邏輯判斷來控制電機 的工作狀態(tài)。

　　1．5 小車的人工控制

　　小車的人工控制和自動避障之間的轉(zhuǎn)換由一個數(shù)據(jù)選擇器控制，當小車上NiosⅡCPU的SEL管腳輸出高電平時，數(shù)據(jù)選擇器將把無線模塊所發(fā)送過來的指令作為電機的控制指令，實現(xiàn)了對小車的無線控制。

　　1．6 溫度和濕度測量

　　在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強的新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該系統(tǒng)設計中將DS18B20的1，3引腳分別接于FPGA板的GND 和+3．3 V管腳，2引腳接FPGA的I／O腳，傳輸控制及數(shù)據(jù)信號。DS18B20最高可用12位表示溫度值，最高5位為符號位。

　　采用HS1101濕度傳感器，具有響應速度快，工作溫區(qū)寬（-40～+100℃），測量范圍大（0％～100％RH），可靠性高，穩(wěn)定性好，功耗低，外圍電路簡單等優(yōu)點。

　　工作原理為：用HS1101傳感器與TLC555構成多諧振蕩器，HS1101傳感器內(nèi)部電容會隨濕度的變化而變化，從而使輸出頻率發(fā)生變化。編寫VHDL程序在FPGA設計一個頻率計可精確的測出頻率值，通過輸出頻率與濕度的關系便可得到濕度值。

　　1．7 無線收發(fā)系統(tǒng)

　　系統(tǒng)采用PTR4000無線嵌入式模塊，工作頻率為2．4 GHz，最高工作速率可達1 Mb／s，高效GMSK調(diào)制，且有CRC檢錯功能。具有低功耗，抗干擾能力強，體積小等優(yōu)點。主要有三種工作模式，分別為：配置模式、 ShockBurst發(fā)送模式和ShockBurst接收模式。

　　軟件設計和調(diào)試

　　采用NiosⅡ進行C語言編程。NiosⅡ集成開發(fā)環(huán)境（IDE）是NlosⅡ系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具。所有軟件開發(fā)任務都可以在Nios ⅡIDE下完成，包括編輯、編譯和調(diào)試程序。NiosⅡIDE是基于開放式的、可擴展Eclipse IDE project工程以及EclipseC／C++開發(fā)工具（CDT）工程，NiosⅡIDE為GCC編譯器提供了一個圖形化用戶界面，可以支持標準C。 NiosⅡIDE編譯環(huán)境自動地生成一個基于用戶特定系統(tǒng)配置（SoPC Builder生成的SoPC文件）的makefile，有利于程序的開發(fā)。

　　NiosⅡIDE包含一個強大的、在GNU調(diào)試器基礎之上的軟件調(diào)試器——GDB。完成軟件代碼的編寫后，可以對代碼進行仿真和調(diào)試。Nios-Ⅱ IDE提供了一個方便的閃存編程方法。任何連接到FPGA的兼容通用閃存接口（CFI）的閃存器件都可以通過NiosⅡIDE閃存編程器來燒結(jié)。針對本設 計及應用，編寫了系統(tǒng)控制程序和LCD顯示程序。流程圖如圖3所示。

　　系統(tǒng)調(diào)試

　　小車系統(tǒng)需要測試能否準確接收控制臺發(fā)送的指令并控制小車運動或停止，以及向前、后、左、右轉(zhuǎn)向。還要測試主控機能否準確接收小車采集到的溫度以及濕度 信息，能否正確顯示。經(jīng)過多次測試，發(fā)現(xiàn)由于系統(tǒng)程序是采用收發(fā)循環(huán)轉(zhuǎn)換的模式，為了讓兩個系統(tǒng)能夠收到對方發(fā)的信息，對小車的遙控與自動部分進行簡單的 分化。自動情況下，控制臺為主要接收端，小車為主要發(fā)送端，一般情況下小車發(fā)送數(shù)據(jù)到控制臺，需要自動到遙控的轉(zhuǎn)換時，通過在延時時間內(nèi)進行中斷來實行從 自動到遙控的轉(zhuǎn)換；在遙控狀態(tài)下，控制臺為主要發(fā)射端，小車為接收端，一般情況下控制臺發(fā)送小車行進指令到小車，需要采集數(shù)據(jù)時，通過溫度、濕度采集按鍵 來對小車進行收發(fā)轉(zhuǎn)換，同時小車發(fā)出采集數(shù)據(jù)指令，之后再次轉(zhuǎn)為接收模式。這樣做之后使小車與控制臺的軟件部分清晰明了，小車的行進以及采集顯示數(shù)據(jù)能夠 實時的進行。

　　濕度測量系統(tǒng)需要測試是否能夠精準輸出頻率值。采用芯片LM555手冊上推薦的電路，由于元件的誤差，使輸出的頻率并不精 確，經(jīng)過與標準的濕度儀進行比對，通過參數(shù)調(diào)整，用直線做近似，最后得到的頻率值誤差在幾赫茲（頻率范圍是6 008～7 314Hz），經(jīng)過預算得到很準確的濕度值。開始求濕度值時用的是解一元三次方程的方法，由于計算量大，對小車的行進會有很大影響，后來在小車端只是把小 車采集到的頻率值通過紅外天線傳輸?shù)街骺囟?，并將原先的小車自動避障由NiosⅡCPU控制改為由Verilog編寫的硬件模塊控制，最后在控制臺做濕度 值的計算。這樣的更改既減少了小車NiosⅡCPU的工作量，同時由于小車的自動避障改為由獨立的Verilog模塊控制，運行起來很流暢。

　　對于無線收發(fā)系統(tǒng)，要測試其可靠性以及發(fā)送或接收的信息的準確性。測試方法是單獨設計了一個軟核下載到SoPC中，并編寫一段程序用于測試是否正確寫入 配置控制字，是否能夠進行ShockBurst模式的接收或發(fā)送。問題是對天線各模式時序的把握，一開始寫的程序總是不能正確寫入配置字，反復調(diào)試，并用 數(shù)字示波器觀察寫入配置字的瞬間過程以及各延時的時間，最后測試成功，并把發(fā)送或接收的狀態(tài)用LED顯示出來，每發(fā)送或接收到一個數(shù)據(jù)包就讓LED閃一 下。

　　結(jié)語

　　本設計以FPGA嵌入NiosⅡ軟核處理器為核心，輔以必要的外圍 電路，構成了高度集成化的片上系統(tǒng)。另外，SoPC系統(tǒng)的柔性配置，使得可以基于此系統(tǒng)擴展片外存儲器和多路輸出。設計的小車具有較強的避障能力，且能通 過接收端對其進行方便的控制，溫度和濕度采集均達了較高的精度，并且能實現(xiàn)動態(tài)顯示，無線收發(fā)模塊的有效范圍最遠可達300 m，可應用于較為惡劣的環(huán)境，可代替人進行溫度和濕度的實地檢測。