一種基于FPGA的智能小車(chē)設計方案

　　摘要：文中介紹了一種基于FPGA的智能小車(chē)設計方案，系統采用FPGA產(chǎn)生的PWM波調控小車(chē)速度，紅外線(xiàn)傳感器TCRT5000檢測路面上的黑色軌跡，井將檢測到的信號反饋給控制芯片FPCA，FPCA由采集到的信號發(fā)出指令，控制小車(chē)電機驅動(dòng)電路以調整行駛方向，從而使小車(chē)能夠沿著(zhù)黑色軌跡自動(dòng)行駛，同時(shí)利用了超聲波模塊實(shí)時(shí)的檢測前邊的障礙物，實(shí)現了小車(chē)的避障循跡功能。

　　隨著(zhù)FPGA從可編程邏輯芯片升級為可編程系統級芯片，其在電路中的角色已經(jīng)從最初的邏輯膠合延伸到數字信號處理、接口、高密度運算等廣闊的范圍，應用領(lǐng)域也從通信延伸到消費電子、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、醫療電子等更多領(lǐng)域。本文在研究嵌入式操作系統的基礎上，提出了基于FPGA的智能小車(chē)設計方案，旨在自動(dòng)實(shí)現工作現場(chǎng)、危險工作地段等特殊環(huán)境進(jìn)行監視和控制，采用Altera公司的CycloneⅡEP2 C5T這款芯片為控制核心，同時(shí)采用了紅外傳感器及超聲波傳感器，設計了一種具有避障循跡功能的智能小車(chē)系統。

　　1 系統方案

　　本設計要實(shí)現一個(gè)能自動(dòng)循跡自動(dòng)避障的智能小車(chē)控制系統，采用FPCA芯片實(shí)現了智能小車(chē)的控制等的功能，選擇常見(jiàn)的電機模型車(chē)為機械平臺，通過(guò)細化設計要求，結合傳感器技術(shù)和電機控制技術(shù)相關(guān)知識實(shí)現小車(chē)的各種功能。設計完成以由紅外線(xiàn)自動(dòng)尋跡、超聲波自動(dòng)避障組成的硬件模塊結合軟件設計組成多功能智能小車(chē)，共同實(shí)現小車(chē)的前進(jìn)倒退、轉向行駛，自動(dòng)根據地面黑線(xiàn)尋跡導航，檢測障礙物后避障，并實(shí)時(shí)顯示障礙物距離等功能，實(shí)現智能控制。

　　2 總體設計

　　智能小車(chē)由傳感器信號處理模塊、電機驅動(dòng)模塊和控制模塊，與車(chē)上的傳感系統以及電機驅動(dòng)電路相配合，實(shí)現小車(chē)自主運動(dòng)的功能，其中各個(gè)系統模塊均用VHDL語(yǔ)言描述并在FPGA芯片中實(shí)現自動(dòng)循跡避障，在LED屏顯示障礙物距離等功能。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，系統采用了4個(gè)紅外對射傳感器，通過(guò)FPGA來(lái)檢測傳感器信號實(shí)現小車(chē)躲避障礙物。超聲波測距原理一般采用渡越時(shí)間法TOF，首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離了?？刂栖?chē)模運行狀態(tài)，如前進(jìn)、后退、左轉、右轉，服務(wù)器端打開(kāi)GPIO驅動(dòng)，通過(guò)CPIO端口輸出控制信號，控制FPCA輸出占空比可調的PWM信號，即可控制車(chē)模的運行狀態(tài)。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。PWM信號送入電機驅動(dòng)芯片的控制端來(lái)調節速度。小車(chē)系統框圖如圖1所示。

　　3 系統硬件設計

　　3.1 光電檢測電路

　　TCRT5000光電傳感器模塊是基于TCRT5000紅外光電傳感器設計的一款紅外反射式光電廾關(guān)。傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，輸出信號經(jīng)施密特電路整形，穩定可靠。傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線(xiàn)，當發(fā)射出的紅外線(xiàn)沒(méi)有被反射回來(lái)或被反射回來(lái)但強度不夠大時(shí)，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài);被檢測物體出現在檢測范圍內時(shí)，紅外線(xiàn)被反射回來(lái)且強度足夠大，光敏二極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點(diǎn)亮。TCRT5000反射式光電傳感器足經(jīng)常使用的傳感器，這個(gè)系列的傳感器種類(lèi)齊全、價(jià)格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。此傳感器含一個(gè)反射模塊(發(fā)光二極管)和一個(gè)接收模塊(光敏三極管)。通過(guò)發(fā)射紅外信號，看接收信號變化判斷檢測物體狀態(tài)的變化，圖2為T(mén)CRT5000傳感器模塊電路原理圖及實(shí)物圖。

　　當小車(chē)在白色地面行駛時(shí)，裝在車(chē)下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線(xiàn)信號，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中光敏三極管將導通，比較器輸出為低電平;當小車(chē)行駛到黑色引導線(xiàn)時(shí)，紅外線(xiàn)信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電子，從而實(shí)現了通過(guò)紅外線(xiàn)檢測信號的功能。將檢測到的信號送到控制模塊的I/O口，當I/O口檢測到的信號為高電平時(shí)，表明紅外光被地上的黑色引導線(xiàn)吸收了，表明小車(chē)處在黑色的引導線(xiàn)上;同理，當I/O口檢測到的信號為低電平時(shí)，表明小車(chē)行駛在白色地面上。

　　回滯比較器LM324在系統中起到抗干擾的作用，LM324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內部有四個(gè)運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源3～30 V，或正負雙電源±1.5～±15 V工作。在黑線(xiàn)檢測電路中用來(lái)確定紅外接收信號電子的高低，以電平高低判定黑線(xiàn)有無(wú)。在電路中，LM324的一個(gè)輸入端需接滑動(dòng)變阻器，通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)提供合適的比較電壓，圖3為L(cháng)M324的管腳圖。

　　圖4為紅外對管黑線(xiàn)檢測電路。

　　3.2 超聲波傳感模塊

　　超聲波發(fā)生器測距原理是經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長(cháng)約6 mm，頻率為40 kHz的超聲波信號，此信號被物體反射回來(lái)由接受頭接受，接收頭實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應的換能器。它接受到信號后產(chǎn)生mv級的微弱電壓信號。超聲波傳感模塊如圖5所示。

　　超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來(lái)實(shí)現的。原理框圖如圖6所示。