基于FPGA的智能小車(chē)設計方案

　　智能監控機器人是近年來(lái)機器人應用工程中一項前沿性的題目，智能化探測小車(chē)是智能行走機器人的一種。智能監控機器小車(chē)就是針對上述情況，在參考了目前大多數智能機器人的基礎上，以降低成本為原則設計的。小車(chē)具備溫濕度和環(huán)境監測、無(wú)線(xiàn)通信、躲避障礙物以及無(wú)線(xiàn)遙控等功能。此智能監控機器小車(chē)與目前已有的同類(lèi)設計相比，有性?xún)r(jià)比高、操作方便、可靠性好、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 系統結構及硬件設計

　　整個(gè)系統由發(fā)送端（智能小車(chē)部分）和接收端（控制臺：控制和顯示部分）組成，如圖1所示。系統由傳感器系統、動(dòng)力及轉向系統、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等組成，整個(gè)系統的控制核心以2片Altera公司的EP2C20F484為核心，在A(yíng)ltera公司的QuartusⅡ和SoPC Builder開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成。根據系統硬件結構添加所需要的外圍模塊并生成NiosⅡCPU。

　　1．1 供電系統

　　小車(chē)安裝了兩塊充電電池，分別為FPGA開(kāi)發(fā)板（FPGA控制電路）和小車(chē)運動(dòng)提供能量，電池置于車(chē)身底部。

　　1．2 傳感器系統

　　系統采用了6個(gè)紅外對射傳感器，通過(guò)FPGA配置的NiosⅡCPU來(lái)檢測傳感器信號實(shí)現小車(chē)躲避障礙物的功能。漫反射型紅外對射傳感器也稱(chēng)光電開(kāi)關(guān)，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(kāi)關(guān)輻射出來(lái)的調制紅外光束被檢測物體反射回來(lái)，紅外線(xiàn)經(jīng)同步選通接收，由電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路驅動(dòng)回路，從而來(lái)檢測物體的有或無(wú)。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測模式。這種電路模塊體積小，信號容易轉化為標準電平。

　　1．3 動(dòng)力及轉向系統

　　本小車(chē)有左右輪兩個(gè)電機及龜機驅動(dòng)。驅動(dòng)電路采用了CT Microelecttonics公司的大功率直流電機驅動(dòng)芯片L298，最高支持50 V電壓，最大電流為5 A，滿(mǎn)足大功率電動(dòng)機的要求，外圍電路簡(jiǎn)單，同時(shí)，由于該芯片為雙路結構，分別控制左右電動(dòng)機，增加了電路的可靠性，減少了復雜性。電機控制采用PWM脈沖寬度調制方式來(lái)控制汽車(chē)的前進(jìn)速度。由NiosⅡCPU寫(xiě)入控制字，可得到不同占空比的PWM驅動(dòng)信號，此PWM信號送入電機驅動(dòng)芯片的控制端來(lái)調節速度。

　　1．4 小車(chē)自動(dòng)避障系統

　　小車(chē)自動(dòng)避障系統采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)驅動(dòng)電路。該模塊（見(jiàn)圖2中的MOTOR）和一個(gè)數據選擇器（見(jiàn)圖2中的select_2）相連來(lái)實(shí)現自動(dòng)避障與人工遙控之間的切換。當小車(chē)上NiosⅡCPU的SEL管腳輸出低電平時(shí)，數據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、溫度數據并控制無(wú)線(xiàn)模塊收發(fā)數據的效率。該邏輯電路的工作原理是根據紅外傳感器發(fā)回來(lái)的數據，經(jīng)過(guò)邏輯判斷來(lái)控制電機的工作狀態(tài)。

　　1．5 小車(chē)的人工控制

　　小車(chē)的人工控制和自動(dòng)避障之間的轉換由一個(gè)數據選擇器控制，當小車(chē)上NiosⅡCPU的SEL管腳輸出高電平時(shí)，數據選擇器將把無(wú)線(xiàn)模塊所發(fā)送過(guò)來(lái)的指令作為電機的控制指令，實(shí)現了對小車(chē)的無(wú)線(xiàn)控制。

　　1．6 溫度和濕度測量

　　在溫度測量系統中，采用抗干擾能力強的新型數字溫度傳感器DS18B20，該系統設計中將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，傳輸控制及數據信號。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，工作溫區寬（-40～+100℃），測量范圍大（0％～100％RH），可靠性高，穩定性好，功耗低，外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

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

　　1．7 無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統

　　系統采用PTR4000無(wú)線(xiàn)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(diǎn)。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。

　　2 軟件設計和調試

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

　　NiosⅡIDE包含一個(gè)強大的、在GNU調試器基礎之上的軟件調試器——GDB。完成軟件代碼的編寫(xiě)后，可以對代碼進(jìn)行仿真和調試。Nios-Ⅱ IDE提供了一個(gè)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(guò)NiosⅡIDE閃存編程器來(lái)燒結。針對本設計及應用，編寫(xiě)了系統控制程序和LCD顯示程序。流程圖如圖3所示。

　　3 系統調試

　　小車(chē)系統需要測試能否準確接收控制臺發(fā)送的指令并控制小車(chē)運動(dòng)或停止，以及向前、后、左、右轉向。還要測試主控機能否準確接收小車(chē)采集到的溫度以及濕度信息，能否正確顯示。經(jīng)過(guò)多次測試，發(fā)現由于系統程序是采用收發(fā)循環(huán)轉換的模式，為了讓兩個(gè)系統能夠收到對方發(fā)的信息，對小車(chē)的遙控與自動(dòng)部分進(jìn)行簡(jiǎn)單的分化。自動(dòng)情況下，控制臺為主要接收端，小車(chē)為主要發(fā)送端，一般情況下小車(chē)發(fā)送數據到控制臺，需要自動(dòng)到遙控的轉換時(shí)，通過(guò)在延時(shí)時(shí)間內進(jìn)行中斷來(lái)實(shí)行從自動(dòng)到遙控的轉換；在遙控狀態(tài)下，控制臺為主要發(fā)射端，小車(chē)為接收端，一般情況下控制臺發(fā)送小車(chē)行進(jìn)指令到小車(chē)，需要采集數據時(shí)，通過(guò)溫度、濕度采集按鍵來(lái)對小車(chē)進(jìn)行收發(fā)轉換，同時(shí)小車(chē)發(fā)出采集數據指令，之后再次轉為接收模式。這樣做之后使小車(chē)與控制臺的軟件部分清晰明了，小車(chē)的行進(jìn)以及采集顯示數據能夠實(shí)時(shí)的進(jìn)行。

　　濕度測量系統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(guò)與標準的濕度儀進(jìn)行比對，通過(guò)參數調整，用直線(xiàn)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(guò)預算得到很準確的濕度值。開(kāi)始求濕度值時(shí)用的是解一元三次方程的方法，由于計算量大，對小車(chē)的行進(jìn)會(huì )有很大影響，后來(lái)在小車(chē)端只是把小車(chē)采集到的頻率值通過(guò)紅外天線(xiàn)傳輸到主控端，并將原先的小車(chē)自動(dòng)避障由NiosⅡCPU控制改為由Verilog編寫(xiě)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(chē)NiosⅡCPU的工作量，同時(shí)由于小車(chē)的自動(dòng)避障改為由獨立的Verilog模塊控制，運行起來(lái)很流暢。

　　對于無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統，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(gè)軟核下載到SoPC中，并編寫(xiě)一段程序用于測試是否正確寫(xiě)入配置控制字，是否能夠進(jìn)行ShockBurst模式的接收或發(fā)送。問(wèn)題是對天線(xiàn)各模式時(shí)序的把握，一開(kāi)始寫(xiě)的程序總是不能正確寫(xiě)入配置字，反復調試，并用數字示波器觀(guān)察寫(xiě)入配置字的瞬間過(guò)程以及各延時(shí)的時(shí)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(lái)，每發(fā)送或接收到一個(gè)數據包就讓LED閃一下。

　　4 結語(yǔ)

　　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。另外，SoPC系統的柔性配置，使得可以基于此系統擴展片外存儲器和多路輸出。設計的小車(chē)具有較強的避障能力，且能通過(guò)接收端對其進(jìn)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(shí)現動(dòng)態(tài)顯示，無(wú)線(xiàn)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(jìn)行溫度和濕度的實(shí)地檢測。