經(jīng)典款嵌入式智能小車(chē)的設計技巧，提供硬件選型
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- 前言
傳統智能小車(chē)，特別是嵌入式系統，一般都是基于單片機或者ARM的嵌入式系統，基本上都由軟件系統和硬件系統組成的，硬件系統方面，跟傳統的搭建硬件環(huán)境一樣，只能做相對裁剪和功能拓展，但是，本項目的課題是通過(guò)xilinx的FPGA開(kāi)發(fā)板搭建嵌入式的硬件環(huán)境，從最小系統到IP核的添加，都是根據需要進(jìn)行拓展的，實(shí)現一對一的拓展，不浪費資源，而且基于FPGA的嵌入式系統的最大有優(yōu)點(diǎn)是，既有PFGA的并行執行效率，又有嵌入式軟件的邏輯過(guò)程分析控制。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/346849.htm- 總體方案設計
圖1 系統硬件結構框圖
使用Spartan-6的XC6SLX16 CSQ234 作為主控制器，傳感器使用攝像頭ov6620圖像采集模塊（兼測路徑），使用超聲波模塊（HCSR04）測距，由于兩者具有互補特性，所以能夠很好的控制小車(chē)的運行狀態(tài)，采用模糊算法計算出電機所需要的轉速，和舵機的轉角，從而實(shí)現穩步漸進(jìn)。
- 1主控制器的選擇
解決方案：采用可編程邏輯器件FPGA作為控制器。FPGA可以實(shí)現復雜的邏輯功能，規模大，密度高，體積小，穩定性高，IO資源豐富，易于外圍功能擴展，隨著(zhù)FPGA的成本逐步降低，而且基于FPGA的嵌入式系統的搭建也成為可行，既有傳統嵌入式的軟件靈活性，也有FPGA的并行快速執行效率。
綜上所述，我們選用的Nexys3 Spartan-6作為系統的主控制器。
- 2電源穩壓芯片的選擇
本系統中，Spartan-6主控制器。
解決方案：由于直流電機的功耗大，決定采用7.2V，2000mAh的電池為供電源，采用LM25xx系列單片集成開(kāi)關(guān)電源作為降壓芯片，可以提供大功率的輸出，轉換效率高，性能穩定。
- 3電機驅動(dòng)選擇
解決方案：采用BTS7960B搭建全橋驅動(dòng)，可以滿(mǎn)足大功率的輸出，分別驅動(dòng)兩個(gè)電機。
驅動(dòng)模塊電路
- 攝像頭模塊的選擇
方案：采用數字攝像頭ov6620，控制簡(jiǎn)單，價(jià)格合適，信號穩定。
- 系統硬件設計
- 1車(chē)體模型
實(shí)物如下圖所示。
圖2 車(chē)體實(shí)際模型
攝像頭尋找黑線(xiàn)，指引小車(chē)循跡，超聲波測距，指引小車(chē)自控速度。
- 2電源
其原理圖如圖三所示：
7.2V的輸入，穩定輸出5V
- 3Ov6620攝像頭傳感器模塊
OV6620 時(shí)序分析
OV6620的同步信號時(shí)序如下：場(chǎng)同步信號VSYN 為兩個(gè)正脈沖之間掃描一幀的定時(shí)，即
完整的一幀圖像在兩個(gè)正脈沖之間；行同步信號HREF 掃描該幀圖像中各行像素的定時(shí)，
即高電平時(shí)為掃描一行像素的有效時(shí)間；像素同步信號 PCLK為讀取有效像素值提供同步信
號，高電平時(shí)輸出有效圖像數據。下圖為OV6620 VSYN、HREF、PCLK三個(gè)同步信號之
間的時(shí)序關(guān)系：
VYNSC是判斷是否一幅圖像開(kāi)始，周期是 20ms, 其中高電平持續時(shí)間很短；HREF 是判
斷是否一行圖像的開(kāi)始，周期是 63us 左右，其中高電平持續時(shí)間為 40US，低電平持續
時(shí)間 23US，那么我們對照時(shí)序圖可以計算一下 OV6620 的分辨率：20ms/63us=317,
當然實(shí)際上沒(méi)有這么多，消隱和無(wú)效信號去掉之后只有 292行；有效的灰度數據是在行中
斷之后的上升沿內，所以不要在行中斷后的 23US 后采集。計算一下一行 OV6620 有多
少個(gè)點(diǎn)： 40us/110ns=363, 消隱和無(wú)效信號去掉之后只有 356 個(gè)點(diǎn)。足以證明
OV6620的分辨率為 356*292。通過(guò)示波器觀(guān)察，PCLK 的周期只有 150ns，依照單片
機的總線(xiàn)，根本無(wú)法捕捉到這個(gè)信號，此時(shí)PCLK 的波形已經(jīng)變?yōu)榧獠?，完全沒(méi)有意義捕捉
這個(gè)信號，采集圖像時(shí)盡快地一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)的取就行了。
- 4直流電機驅動(dòng)
系統中采用了BTS7960B搭建全橋驅動(dòng)，可以滿(mǎn)足大功率的輸出，分別驅動(dòng)兩個(gè)電機。
BTS7960B 的芯片內部為一個(gè)半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET 導通。IN=1 且INH=1 時(shí)，高邊MOSFET 導通，OUT 引腳輸出高電平；IN=0 且INH=1 時(shí)，低邊MOSFET 導通，OUT 引腳輸出低電平。SR 引腳外接電阻的大小，可以調節M(mǎn)OS管導通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能。
3.5下圖是由FPGA構建的最小嵌入式系統，是根據xilinx官方的EDK要求搭建的。
最小系統
4系統軟件設計
軟件設計主要分為三部分，第一部分是最小系統的搭建（軟件初始化），第二部分是外部硬件的驅動(dòng)，第三部分是核心算法。
- 1最小系統的搭建（軟件初始化）：
利用EDK工具，搭建最小的嵌入式系統。
- 2外部硬件驅動(dòng)：
外部硬件驅動(dòng)，選擇以IP核的形式添加到最小系統歷來(lái)，用硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)驅動(dòng)核心代碼，然后軟件通過(guò)寄存器驅動(dòng)外部硬件。
- 3核心算法：
這部分是整個(gè)系統的核心，它的結構框圖如下圖所示：
圖10 軟件結構框圖
5系統調試和測試
調試過(guò)程：
5.1硬件平臺的方案測試
在EDK設計中，可以新建測試代碼，自動(dòng)生成測試代碼，通過(guò)串口打印驗證結果。
5.2 超聲波模塊的使用
在增加IP核過(guò)程中，需要根據超聲波的時(shí)序要求，用硬件描述語(yǔ)言描述驅動(dòng)的過(guò)程。
process(Bus2IP_Clk,slv_reg1,the_end)
begin
if slv_reg1=x00000000 then
counter=x00000000;
chao_out = 0;
div_clk=0;
elsif rising_edge(Bus2IP_Clk) then
if the_end = 1 then
chao_out = 1;
counter=counter+1;
if(counter=x1F4) then
counter=x00000000;
chao_out = 0;
div_clk=1;
end if;
end if;
end if;
end process;
-- implement slave model software accessible register(s) read mux
SLAVE_REG_READ_PROC : process( Bus2IP_Resetn,slv_reg_read_sel, slv_reg0, slv_reg1,Bus2IP_Clk,div_clk ) is
begin
case slv_reg_read_sel is
when 10 =>
if Bus2IP_Resetn = 0 then
timer_count = x00000000;
the_end = 0;
elsif div_clk=1 then
if slv_chao_in=1 then
the_end = 0;
timer_count = timer_count + 1;
else
slv_ip2bus_data = timer_count; --slv_reg0;
the_end = 1;
timer_count = x00000000;
end if;
else
slv_ip2bus_data = slv_reg0;
end if;
when 01 => slv_ip2bus_data = slv_reg1;
when others => slv_ip2bus_data = (others => 0);
end case;
end process SLAVE_REG_READ_PROC;
5.3 PWM模塊的調試
由于需要兩路的PWM來(lái)分別操作舵機和直流電機，所有PWM的調試時(shí)至關(guān)重要的。
代碼如下：
int main()
{
unsigned long i,j;
//close PWM
PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_0_BASEADDR,0,0x00); //PWM0
PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_1_BASEADDR,0,0x00); //PWM1
for(i=0;i=99999;i++);
PWM_deal(0x2E);
while(1)
{
PWM_deal(0x2E);
delay(60);
PWM_deal(0x38);
delay(60);
PWM_deal(0x2E);
delay(60);
PWM_deal(0x24);
delay(60);
}
return 0;
}
void PWM_deal(unsigned char reg0)
{
//PWM0 舵機
//PWM 頻率
PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_0_BASEADDR,0,0x1F4);
//PWM 占空比
PWM_IP_mWriteSlaveReg0(XPAR_PWM_IP_0_BASEADDR,0,reg0);
//PWM1 直流電機
PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_1_BASEADDR,0,0x1F4); //
PWM_IP_mWriteSlaveReg0(XPAR_PWM_IP_1_BASEADDR,0,reg0); //slv_reg0
}
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