基于FPGA的智能超市手推車(chē)及應用

　　引言

　　智能機器人是具有感知思維和行動(dòng)功能的機器。要使機器人具有感知環(huán)境的能力，對環(huán)境變化做出適當的反應，實(shí)現智能化，就要采用傳感器采集環(huán)境信息并用適當的信息融合方法將環(huán)境信息加以綜合處理[1]。

　　基于FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)的智能超市手推車(chē)是把智能機器人領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)應用到了傳統的超市手推車(chē)上，并結合了FPGA技術(shù)、射頻識別技術(shù)以及多傳感器接入技術(shù)為一體，使得傳統的超市手推車(chē)具有智能機器人的特性，實(shí)現了手推車(chē)自動(dòng)跟隨用戶(hù)購物，RFID(射頻識別)電子鑰匙開(kāi)關(guān)等功能。利用FPGA的并行處理等方面的優(yōu)勢，可以很好地對多組傳感器采集到的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，綜合控制小車(chē)的行動(dòng)姿態(tài)，通過(guò)脈寬調制(PWM)，也可以控制小車(chē)行進(jìn)中的跟隨速度。利用FPGA在邏輯控制等方面的優(yōu)勢，實(shí)現對語(yǔ)音導購模塊以及RFID電子標簽模塊的綜合控制作用。

　　FPGA的硬件資源極為豐富，預留的引腳接口眾多，這也為小車(chē)日后功能的升級留有可能性。本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于：對傳統的超市手推車(chē)的智能化改造;利用FPGA的多傳感器接入;電機PWM的數字控制精確度高;系統多功能，具有擴展性。

　　硬件介紹及系統原理

　　本系統實(shí)現了基于FPGA的超市手推車(chē)智能跟隨購物的功能，為了實(shí)現小車(chē)對環(huán)境的感知與小車(chē)自動(dòng)行使的功能，本作品采用了自頂向下的設計方法，分別針對不同的功能模塊，設計了相應的IP核，在FPGA內部完成對數據的處理分析。由于系統采用模塊化的設計思想，系統整體的實(shí)時(shí)性、可靠性都有所提高，并且功耗降低，體積也滿(mǎn)足了設計需求。

　　硬件介紹

　　基于小車(chē)需要對周?chē)h(huán)境信息的改變做出實(shí)時(shí)響應，系統采用了雙紅外線(xiàn)傳感器與超聲波傳感器采集距離與方向信息，并將采集到的數據發(fā)送到FPGA，經(jīng)過(guò)FPGA的處理，通過(guò)PWM控制減速電機驅動(dòng)板產(chǎn)生電機的驅動(dòng)信號，最終實(shí)現對電機的控制。另外，RFID電子標簽作為智能小車(chē)唯一的開(kāi)啟鑰匙，不但提高了小車(chē)使用的安全性，也提高了使用過(guò)程中的便捷性。圖1所示為小車(chē)硬件設計的總體框圖。

　　系統采用的紅外線(xiàn)傳感器是E18-D80NK反射式接近開(kāi)關(guān)傳感器，是一種集紅外線(xiàn)發(fā)射與接受于一體的輕便型傳感器，可以測量0~80cm之間的障礙物，廣泛應用于障礙物監測、流水線(xiàn)計數、門(mén)禁系統等多種場(chǎng)合。傳感器自帶電位器旋鈕，可調節監測距離，并可以輸出TTL的檢測信號給處理器。

　　系統采用的超聲波傳感器是SRF06型超聲波傳感器，這是一款帶溫度補償、集超聲波收發(fā)功能的全數字傳感器?？商峁?cm~3.5m的非接觸式距離感測功能，包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。該超聲波傳感器采用四引腳與外界通信，其中除去電源與地線(xiàn)以外，還有一個(gè)信號輸入/輸出引腳，分別用于啟動(dòng)傳感器測距與發(fā)送測量信號。該產(chǎn)品具有品質(zhì)好、超快響應、抗溫度干擾、與極高的性?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。

　　系統原理及結構設計

　　系統利用FPGA的可編程及硬件實(shí)現上的優(yōu)點(diǎn)，最大限度地利用FPGA的硬件資源來(lái)代替傳統軟件編程的數據采集方法，保證了數據采集的準確、高效[2]。系統功能的實(shí)現由五個(gè)模塊協(xié)同完成，包含了頂層模塊、超聲波啟動(dòng)信號發(fā)生模塊、超聲波接收信號模塊、左電機PWM模塊以及右電機PWM模塊。系統采用FPGA開(kāi)發(fā)板上提供的50MHz時(shí)鐘作為全局參考時(shí)鐘，通過(guò)FPGA內部的鎖相環(huán)(PLL)對這一全局時(shí)鐘進(jìn)行分頻處理，來(lái)滿(mǎn)足對不同模塊的時(shí)鐘要求。由于電機供電需要12V電壓驅動(dòng)，而FPGA開(kāi)發(fā)板以及傳感器模塊需要5V電壓供電，系統采用了光耦器件作為電機驅動(dòng)板的核心器件，有效地隔離了高電壓(12V)可能對FPGA開(kāi)發(fā)板及傳感器模塊造成的損害。不同的傳感器需要有相應的信號驅動(dòng)，這就利用了FPGA的可重復編程的特性，依靠VHDL硬件描述語(yǔ)言對加入的傳感器編寫(xiě)對應的IP核模塊，完成數據的綜合采集、處理過(guò)程，也使得日后小車(chē)功能的升級更加便利。系統結構框圖如圖2所示。