FPGA智能小车设计

1、天水师范学院基于EDA的小车控制器的设计实践报告学院：物理与信息科学学院专业：电子信息科学与技术班级： 11 级电信二班姓名：尹天林 倪波波学号：235 2192013年 12月 30日3 软件设计 . 错误 !未定义书签目录摘要. 错误!未定义书签11错误!未定义书签。FPGA在控制方面的应用 错误!未定义书签本课题研究目的及意义 错误!未定义书签1 引言 . 选题背景 . 智能小车简介 . 错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签研究目的 . 研究意义 . 2 总体方案说明 .设计目标 . 错误!未定义书签方案概述 . 错误!未定义书签VHDL语言介绍 错误!未定义书签Quartu

2、s II 软件介绍 错误!未定义书签分频器模块 . 错误!未定义书签分频器的功能 . 错误!未定义书签分频器的设计 . 错误!未定义书签周期运行控制模块 . 错误!未定义书签周期运行控制模块实现的功能 错误!未定义书签状态机简介 . 错误 ! 未定义书签周期运行控制模块的设计 错误!未定义书签避障模块 . 错误!未定义书签避障模块实现的的功能 错误!未定义书签避障模块的设计 . 错误!未定义书签遥控模块 . 错误!未定义书签遥控模块的功能 . 错误 ! 未定义书签遥控模块的设计 . 错误!未定义书签循迹模块 . 错误!未定义书签驱动模块 . 错误!未定义书签驱动模块的功能 . 错误!未定义书签

3、脉冲宽度调制调速基本原理 错误 !未定义书签驱动模块的设计 . 错误!未定义书签模式选择模块 . 错误 !未定义书签顶层图设计 . 错误!未定义书签4 硬件设计 . 错误 !未定义书签检测电路 . 错误!未定义书签遥控接收电路 . 错误!未定义书签驱动电路 . 错误!未定义书签直流电机驱动原理 . 错误!未定义书签L298N 电机驱动芯片及驱动电路 错误 !未定义书签模式选择电路 . 错误!未定义书签5 设计结果 . 错误 !未定义书签硬件组装 . 错误!未定义书签软硬件联合测试 . 错误!未定义书签测试准备 . 错误!未定义书签附录 A 276 总结与展望 . 错误!未定义书签摘 要：现场可

4、编程逻辑阵列(FPGA具有可在线反复编程，开发周期短， 并行处理，运算速度快，集成度高，可靠性高等特点，广泛应用于数字信 号处理，工业控制，通信等各个领域。基于 FPGA设计控制器，可以把一些 外设和逻辑器件集成起来，从而缩小体积，减少电路的走线，降低功耗， 提高可靠性，同时能够通过在线编程来修改和扩充控制器功能，缩短了开 发周期，也使系统的使用变的灵活，扩展方便。由于 FPGA可以实现真正的 并行处理，并且运算速度快，用它实现复杂的控制算法可以提高算法运算 速度，满足实时控制要求。本设计是典型的软件和硬件结合的设计产品，基于EPM570T100C型FPGA芯片设计了一个较为通用的小车控制器。

5、 通过数字量输入/输出通道连 接了障碍检测模块无线接收模块；电机驱动模块；模式选择模块等。采用 硬件描述语言( Verilog HDL )实现了对各个功能模块的编程、仿真、编程 下载、功能测试。并在Quartus II开发环境下搭建了一个基于 FPGA的小 车控制器研究平台，用 Verilog HDL 语言实现了整个系统的设计和仿真， 使小车控制器系统实现了周期运行、避障、循迹、遥控等功能。通过此方 法可在软件中嵌入不同的控制算法，扩展多种控制性能，实现各种硬件功 能，这种基于FPGA勺电子设计的开发方法可根据需要随时增加扩展用户需 要的功能，具有很大的开发潜力，在工业控制中有一定的推广应用价

6、值。1 引言选题背景1.1.1 智能小车简介工业的发展对生产的自动化程度和产品精度要求越来越高， 传统的人工 很难适应产业升级带来的挑战；科技的进步使得人类的探索范围越来越大， 亟需一种能够在恶劣的环境替代人类完成任务的智能装置。智能机器人控 制系统应运而生。工业机器人和探测机器人的发展成为了当下机器人发展 的主要方向，智能小车是机器人的一种，又称轮式机器人，在工业和探测 两个领域均有广泛应用。智能小车控制器的设计具有极强的可移植性和易扩展性， 可应用于替代 一些单调枯燥简单重复的岗位。同时，配合传感器等数据采集装置，小车 可以作为一个独立运动单元自主执行一些要求更高的任务。在军事上，现 代战

7、争的复杂程度越来越高，需要在复杂恶劣的环境中完成各种侦察或作 战任务，增加了作战人员的危险性；在工业、民用、社会公共设施等诸多 领域上，比如在恶劣环境下进行的科学研究、在危险地段作业、危险品排 除等诸多场合需要人们冒着巨大的风险；在影视剧拍摄、家庭服务、智能 化家居、康复医疗等多种应用领域，为了确保工作人员的安全性，提高舒 适性，都急需一种能够替代人完成这些任务的机器人。智能小车控制系统为人类突破这些限制提供了条件。 这种智能小车可以 适应不同环境，不受温度、大气、重力、强辐射等外界条件的影响，在人 类不适宜的工作环境或者技术含量较低的高强度任务中有效地替代人类完 成工作，提高效率。从机器人诞

8、生至今，随着科学技术的不断发展，机器 人应用已经从制造领域向非制造领域发展，原先只是在航空军事领域中才 使用的机器人也开始走进人们的日常生活。机器人的发展经历了三代， 第一代机器人属于示教再现型， 第二代则具 备了一定的环境感知能力，第三代机器人是智能型机器人，它除了具有感 觉能力之外，还具备独立辨别和自主运动能力。它上面装有多种环境感应 设备，是人工智能技术发展到高级阶段的产物。随着计算机、网络、微电 子等领域迅速发展，人类活动领域的不断扩大，智能小车的应用领域也不 断扩大，有了客观的发展理由：a. 智能小车系统可以把人从有毒有害、缺氧、高压、高温等危险的环 境中解放出来。比如，发电厂的高温

9、环境的设备检修，煤气管道的修复， 易燃易爆危险品排除装置等。b. 智能小车系统可以进入到人类无法生存或无法进入的区域代替人类 工作，例如可以把智能小车送入太空，探测火星；或者潜入海底，勘探资 源等。c. 随着经济的不断增长及互联网的迅速普及，人们的生活水平和质量 不断提高，智能化家居生活开始推广开来，人们可以通过网络远程控制家 中的智能小车完成特定的任务，比如整理房间、远程监控等。1.1.2FPGA 在控制方面的应用FPGA是英文Field Programmable GateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL GAL CPLD等可编程器件的基础上经过进一步发展的产 物。出现至今

10、历经30年的发展，FPGA已由当初的1200门发展成为今天的 百万门级。FPGA一般是基于SRAMC艺，基本结构是基于查找表加寄存器结 构。FPGA采用了逻辑单元阵列 LCA(LogicCell Array )，内部包括可配置 逻辑模块 CL(B ConfigurableLogicBlock ) 输出输入模块 IOB(Input Output Block)和内部连线(InterConnect )三个部分。FPGA是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，在其工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的模式进行配置，并可以采用不同的方式进行编 程。FPGA芯片在控制方面可

11、实现的优点：a. 采用FPGA芯片设计ASIC电路，不需要大量生产，就能得到适用的-l-R LK芯片；b. FPGA芯片可做其它全定制或半定制 ASIC电路的中试样片；c. FPGA芯片内部有丰富的触发器和I/O引脚；d. FPGA芯片设计周期最短、开发费用低、风险小；e. FPGA芯片采用高速CHMO工艺，功耗低，可以与 CMOS TTL电平兼 容。基于以上特点，可以说FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性是实现小车控制的最佳选择之一。本课题研究目的及意义1.2.1 研究目的为了适应工业和科技的快速发展产生的新要求， 使生产达到较高的自动 化水平和效率及实现产品精度的提高，基于FPG

12、A勺小车控制系统应运而生。 本设计意在设计一种设计具有较强可移植性的小车控制器，经改进可应用 于替代一些单调枯燥简单重复的岗位，如流水线、仓储物流等。设计功能 包括周期运行、自动避障、循迹、遥控运行，这些功能具有很强的使用意 义，正常状态下小车能够自主周期运行完成设定的任务，遇到障碍物能够 自行躲避，在一些突发情况下能够人工干预小车的运行。本次设计旨在用来检查这学期专业知识的学习情况， 通过综合知识运用 锻炼解决问题的能力，通过软硬件设计锻炼实践能力，通过对设计全局的 把握培育系统观念。1.2.2 研究意义本课题以FPGA芯片为控制器设计了智能小车控制系统，意义如下：a. 基于FPGAf发的控

13、制器具有运算速度快，体积小，修改方便，集成 度高，可靠性高，易扩展等优点。b. 用FPGA现智能算法可以提高算法的运算速度， 满足实时控制的要 求。本文在基于FPGA实现复杂的智能算法方面作了一些探索性的工作，为 以后进一步嵌入其它复杂算法打下了基础。c. 搭建了智能小车控制系统的实验平台，为将来进一步研究和开发智 能小车控制器做了基础性工作。d. 对这学期所学的专业知识进行系统梳理、综合运用。2 总体方案说明设计目标本课题基于EDA技术，使用Altera公司的的EDA软件开发工具QuartusII 进行设计准备、设计输入、功能仿真、设计处理、时序仿真和器件编程 及测试，以可编辑逻辑器件 FP

14、GA为核心部件，基于FPGA核心开发板进行 扩展做出硬件，主要包括以下各项：a. 掌握利用 Verilog HDL 设计智能小车控制器的原理、方法；b. 利用芯片内部时钟进行分段定时周期直线运动；c. 小车外接光电传感器检测障碍物并做出相应反应；d. 人工干预遥控运行；e. 在FPGA开发板上，针对FPGA芯片的特点进行系统配置并验证功能的实现，并做出扩展硬件；方案概述本设计是基于FPGA芯片，采用Verilog HDL语言进行的EDA设计，是 软硬件协同设计，分为软件和硬件设计两部分。首先进行软件的设计输入、 功能仿真、设计处理，然后下载到FPGA芯片内配合外围电路进行硬件测试。其具体功能是

15、实现自主的周期运行，通过光电传感器检测障碍物进光电传感器 模块行避障运动，除此之外又加入了遥控功能，其原理框图如图所示FPGA 核心板驱动模块遥控接收模块遥控运行 周期运行 循迹运行 魔手运行 避障运行光电传感器模块是芯片外接的三个光电传感器，当传感器检测到障碍时其输出电平信号发生变化，输入电平信号经程序处理后发送到FPGA芯片,向驱动模块发出相应的信号，使小车做出适当的规避动作。遥控模块是实现遥控运行功能的模块，包括硬件的信号接收装置和软件 处理模块。遥控器以无线信号的形式从发射端发出不同的指令信号，经无 线接收电路处理之后输出并行信号，FPGA芯片根据程序设定向驱动模块发 出信号，小车做出

16、相应的动作。周期运行控制程序存储在 FPGA芯片中，使用状态机进行状态循环，并 在不同状态下向驱动模块发送不同的驱动信号，使小车实现周期运行。驱动模块是接收FPGA芯片输出信号进行电机驱动的模块，由驱动程序 和外围的驱动芯片两部分构成，在接收以上各模块的输出信号之后，进行 处理之后输出控制信号驱动直流电机的运行。以上各模块综合起来实现智能小车控制器的全部功能，其流程图如图所 示。程序按照此流程设计完成之后下载进 FPGA芯片中，完成外设电路之后 再软硬件联合测试，以实现设计要求。图小车控制器流程图3软件设计小车控制器的软件程序设计采用 Verilog HDL语言，利用Altera公司的EDA开

17、发软件Quartusll进行设计。软件部分由原理图和模块程序两部分组成，包括模式选择模块、分频器模块、电机驱动模块、周期控制模块、障碍检测模块遥控模块。以及下文将详细介绍介绍各个功能块的功能及实 现方法，并给出仿真波形。语言介绍VHDL 的英文全名是 Very High Speed In tegrated Circuit HardwareDescription Language ，即超高速集成电路硬件描述语言，被认为是标准 的硬件描述语言，有专家认为，在新世纪中，VHDL与Verilog HDL语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含

18、有许 多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于 一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设 计实体（可以是一个元件、一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可 视部分，即端口）和内部（或称不可视部分） ，即设计实体的内部功能和算 法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦内部开发完成后， 其他的设计可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念 是VHDL系统设计的基本点。VHDL具有功能强大的语言结构，可以用简洁明确的源代码来描述复杂 的逻辑控制。它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成 电路级描述。VHDL支持

19、同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他 硬件描述语言所不能比拟的。VHDL还支持各种设计方法，既支持自底向上 的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。VHDL具有多层次的设计描述功能，既可以描述系统级电路，又可以描 述门级电路。而描述既可以采用行为描述、寄存器传输描述或结构描述，也可以采用三者混合的混合级描述。 另外，VHDL支持惯性延迟和传输延迟， 还可以准确地建立硬件电路模型。VHDL支持预定义的和自定义的数据类型， 给硬件描述带来较大的自由度，使设计人员能够方便地创建高层次的系统 模型。设计人员用VHDL行设计时，不需要首先考虑选择完成设计的器件， 就可以

20、集中精力进行设计的优化。当设计描述完成后，可以用多种不同的 器件结构来实现其功能。VHDL是一种标准化的硬件描述语言，同一个设计 描述可以被不同的工具所支持，使得设计描述的移植成为可能。基于以上种种优点，VHDL乍为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到众 多EDA公司支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。软件介绍Max+plus II作为Altera的上一代PLD设计软件，由于其出色的易用 性而得到了广泛的应用。目前 Altera 已经停止了对 Max+plus II 的更新支 持。 Quartus II 是 Altera 公司继 Max+plus II 之后开发的一种针对其公

21、司 生产的系列CPLD/FPGA件的综合性开发软件，它的版本不断升级，目前 已经发布了版本，该软件有如下几个显著的特点：该软件界面友好，使用便捷，功能强大，是一个完全集成化的可编程逻 辑设计环境，是先进的 EDA工具软件。该软件具有开放性、与结构无关、多平台、完全集成化、丰富的设计库、模块化工具等特点，支持原理图、 VHDL、VerilogHDL 以及 AHDL( Altera Hardware Description Language)等多种设计输入形式，内嵌有综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到 硬件配置的完整PLD FPGA设计流程。Quartus II 可以在 Windows、 Li

22、nux 以及 Unix 上使用，除了可以使用 TCL脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。 具有运行 速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。Quartus II 支持 Altera 公司的 MAX3000A系列、MAX7000系列、MAX9000 系列、ACEX1K系列、APEX20K系列、APEXI 系列、FLEX6000 系列、FLEX 10K系列，支持MAX7000/MAX30C等乘积项器件。支持 MAX II CPLD系列、 Cyclone 系列、 Cyclone II 、 Stratix II 系列、 Stratix GX 系列等。支持 IP核，包含了 LPM/

23、MegaFunction宏功能模块库，用户可以充分利用成熟的 模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。此外， Quartus II 通过和 DSPBuilder工具与Matlab/Simulink 相结合，可以方便地实现各种 DSP应 用系统；支持Altera的片上可编程系统(SOPC开发，集系统级设计、嵌 入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。分频器模块分频器的功能在接口电路中，时钟信号的作用至关重要。一般的 FPGA开发板或最小 系统板附带的晶振频率过高，达到20MH甚至50MHz但是这种时钟脉冲不 适合直接接入程序工作，所以需要引入时钟分频电路，即分频器，将晶振输

24、出的脉冲分频。分频之后的时钟信号适合接入电路工作。分频器模块就 是用软件方法实现分频器的功能。时钟信号一般有两种功能，计数和选通。对于周期运行控制模块来说， 每个状态都需要进行计时，所以需要接入较低频率的时钟脉冲，便于对计 时器赋值。驱动模块需要进行调速，而小直流电机需要通过调节驱动脉冲 的占空比进行调速，在调节占空比时就需要进行计数运算，也就需要一个 合适的时钟信号。障碍检测模块和遥控模块输入的是并行电平信号，在电平突然改变时， 由于电平跃变或信号传输的延迟产生竞争冒险现象，在输出端产生尖脉冲 的毛刺，从而产生误操作。为了解决这一问题，需要接入一个选通控制信 号。竞争冒险一般发生在输入信号变

25、化瞬间，若选通信号在这期间将输出 关闭，等到输入信号稳定后再将输出开启，就可以消除竞争险象。选通信 号也是由分频器输出的时钟信号。分频器的设计分频器是将较高的频率进行分频， 从而得到较低的频率。 需要用到计数 器，高频率输入之后，触发计数器进行计数运算同时输出电平保持不变， 当计数器到达一个限值时输出电平翻转。分频系数是输入频率和输出频率 之比，计数上限就等于分频系数除以 2 再减去 1。本设计输入晶振频率是50MHz为了方便计数和选通，输出频率设定为100Hz计数上限为249999。分频器模块如图所示，CLK是 50MHz晶振频率输入，CLK10Q是100Hz时 钟频率输出模块设计完成之后，

26、对程序进行功能仿真，设置CLK输入接口的频率为 50MHz得到如图所示的仿真波形图。由于 Quartus II软件只不适合长时 间的仿真，在此截止时间设置40ms此图只截取了一个完整周期。图分频器仿真波形因为50MHZ的频率太高导致上升下降沿过密，所以在图中显示为一条黑 色粗线，但是从时间上看波形还是正确的，在 10ms时，输出端CLK_0UT100 完成1个周期输出。周期运行控制模块周期运行控制模块实现的功能周期运行控制模块用于实现小车的周期运行功能，通过计时器加状态机 进行状态设置和状态转换。在本设计中周期运行控制模块将完成如下周期 运行的控制，功能块使能之后进行周期运动。一个运动周期包括

27、高速前进4S,停止2S,低速前进4S,停止2S,高速后退4S,停止2S,低速后退4S。 之后进入下一周期再次高速前进 4S。状态机简介本设计使用了状态机进行设计， 在此先对状态机进行简要的介绍。 有限 状态机简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作 等行为的数学模型。状态机及其设计技术是使用数字逻辑设计的重要组成 部分，状态机是实现高效率、高可靠性的控制逻辑的重要途径。利用状态 机进行逻辑系统设计无论是与基于 VHD啲其他设计方法相比还是与完成相 似功能的CPU!比，都有其独到的优点。状态机克服了纯硬件数字系统控制不灵活的缺点， 能够按照输入信号的 控制和预先设定的执行程序在

28、各个状态之间顺序地执行切换，能够很好地 执行顺序逻辑。状态机实现方式简单，设计方案相对固定。采用状态机设 计易于构成良好的同步时序逻辑，有利于消除大规模逻辑电路中常见的竞 争冒险现象。状态机与VHDI其他描述方法相比，层次分明、结构清晰、易 懂好读，在模块化修改、优化、移植方面有优势。在VHDI语言中，状态机有多种实现方式。从输出方式上分为Mealy （米 里）型和Moore （莫尔）型状态机。Mealy型状态机属于同步时钟状态机， 他的输出是当前状态和所有输入信号的函数，其输出是在输入变化后立即 发生的，不依赖时钟同步。Moore型状态机属于异步输出状态机，他的输出 仅为当前状态的函数，在输

29、入发生变化后，还必须等待时钟上升沿的到来， 才能导致输出的改变。周期运行控制模块的设计为了实现周期运行控制的功能，在该模块使用状态机进行设计。首先将 周期中各个运行状态在状态机中进行定义，高速前进 4S停止2S、低速前 进4S、停止2S高速后退4S、停止2S低速后退4S分别定义为s0、s5、 si、s2、s3、s6, S4。由此可以得到状态转换图，如图所示。图周期运行状态转换图很明显，该状态机属于 Moore型状态机，没有其他外部输入口，在使能 之后进行顺序状态装换。每个状态在计数的同时像驱动模块发出使能信号、 方向和速度控制信号。各状态对应的输出控制信号见表。表运行状态信号输出对照运行状态电

30、机使能转动速度转动方向S0高高速正向S5低停止停止S1中低速正向S2低停止停止s6低停止停止S4中低速反向S3高速反向程序编译完成之后创建如图所示的模块文件芒p:IB 1； Ur zhouqi4ENBZFk11iICLKSPi i i4 i i, aEN:instS图周期运行控制模块图在该模块中，ENB输入端是模块的使能信号，CLK输入端是从分频器接 入的100Hz的时钟脉冲。EN是电机驱动模块的使能控制信号输出端，ZF是 电机正反转的控制信号输出端，SP是小车速度控制信号输出端。当ENB为低电平时该模块使能，当 ENB为高电平时模块不工作。在模 块使能之后，状态机直接进入 s0状态，计数器在

31、时钟脉冲上升沿时进行 0 到399的累加计数，同时EN端输出高电平使能信号，ZF端输出高电平正转 信号，SP端输出高电平高速信号，此时小车前进。当计数器计数到399时，4S计数器清零，状态机跳转到下一状态 s5。在状态s5中，计数器从0到 199计数，计数周期为2S,在此期间EN端输出低电平非使能信号，ZF端输 出低电平反转信号，SP端输出低电平低速运行信号，此时小车停止。当计 数器计数到199时，2S计数器清零，状态机跳转到下一状态 s1.当si状态 时计数器在此进行和s0相同的计数，同时EN端继续输出高电平使能信号， ZF端继续输出高电平正转信号，SP端输出低电平低速运动信号，此时小车 低

32、速前进。当计数器再次计数到 399时，4S计数器再次清零，状态机跳转 到下一状态s2。在状态s2中，计数器从0到199计数，计数周期为2S, 在此期间EN端输出低电平非使能信号，ZF端输出低电平反转信号，SP端 输出低电平低速运行信号，此时小车停止。当计数器计数到199时，2S计数器清零，状态机跳转到下一状态s3.在S3状态，除了 ZF端输出低电平反 方向运行信号之外其余输入输出量与 s0相同。此状态下，小车高速反方向 运行4S。当计数器再次计数至399时，又一次清零跳转到S6状态。在S6 状态下，停止2S,又一次清零转到S4，此时ZF输出低电平反方向运行信 号，其余输出同s1，此时小车低速反

33、向运动。4S计数周期结束之后，计数 器清零，状态机跳转到状态 s0，开始下一周期的运行。如图所示，在使能 信号输入低电平之后，EN SP ZF端输出相应值，并且计数周期正确。在 使能信号高电平时，全部输出端口复位到低电平，待到使能端低电平时继 续周期循环。图周期运行控制模块仿真波形避障模块避障模块实现的的功能避障模块接收外围电路4个光电传感器所发出的4位并行数字信号，经 处理之后向驱动模块输出使能信号、正反方向信号，实现小车的障碍检测 和规避障碍的功能。避障模块的设计由于光电传感器在没有障碍物阻挡的情况下输入的是高电平1，当传感器前方检测到障碍物时输入的是低电平 0。由此可以列出小车规避障碍动

34、作 与传感器输入到FPGA芯片的电平状态对照表，见表。在表中列出了传感器 输入状态的所有可能情况，并给出小车对应的规避动作。表传感器输入状态与小车规避动作对照表传感器输入状态小车动作传感器输入状态小车动作0000停止0100左转0001直行0101直行0010右转0110右转0011直行0111直行1000后退1100左转1001直行1101直行1010右转1110右转1011直行1111直行根据以上分析设计出避障模块的程序，编译仿真之后创建模块文件。如图避障模块图图所示。DIN20,DIN21,DIN22,DIN23分别为小车前方中、右、左，后四个光电传感器的输入信号，ENE端为模块使能信号

35、输入。Zuo1,zuo2为左轮 的两路输入，you1,you2为右轮的两路输入，en 1,en2分别为左轮和右轮的使 能。当ENE输入信号为低电平时，避障模块使能，此时输入的传感器信号 经模块处理之后，输出端输出相应信号，实现对障碍的规避。编译之后进行模块的功能仿真，得到如图所示的波形。从波形上可以看出，以上设计功能全部实现图避障模块仿真波形遥控模块遥控模块的功能遥控模块是实现遥控功能的一个功能模块，遥控器发出的指令信号经接 收电路处理之后输入到FPGA芯片中，遥控模块接收到信号之后向驱动模块 输出控制信号，实现与遥控信号对应的动作。遥控模块的设计遥控器发射的信号经接收电路处理之后，输入到 F

36、PGA芯片中的是四位 并行信号。遥控器按键对应的并行信号与小车动作见表。本次设计的是模 拟消防车灭火，小车是两前轮驱动，依靠车轮反向转动进行转向，并同时 发出警报和七彩LED指示灯闪，所以设定遥控器上的四个按键组合进行操 作。表遥控器按键与小车动作对照表遥控器按键并行输入信号小车动作A0001右转B0010后退C0100前进D1000左转A和B0011停止并开启风扇其他按键组合停止根据以上设定编写模块程序，编译之后生成模块文件，如图所示。CLK接入系统时钟信号，key4.1是经遥控接收电路处理之后的四位 并行信号，ENA是模块使能信号输入端。Zuo1,zuo2为左轮的两路输入,you1,you

37、2为右轮的两路输入,en 1,en2分别为左轮和右轮的使能。Feng 是控制风扇的输入端，beep是控制蜂鸣器，ledl是七彩LED指示灯的控制当ENA输入信号为低电平时，遥控模块使能，此时输入的4位并行信号 经模块处理之后，输出端输出相应信号，实现遥控运行图遥控模块图程序编写完成之后验证其是否实现了设计功能，编译之后进行功能仿真，得到如图所示波形图遥控模块仿真波形从图上可以看出，该模块完全达到设计要求循迹模块循迹模块接收外围电路4个光电传感器所发出的4位并行数字信号，经 处理之后向驱动模块输出使能信号、正反方向信号，实现小车的寻黑线的 功能。由于光电传感器属于红外线反射探测，因此目标的反射率

38、和形状是探测距 离的关键。其中黑色探测距离最小，白色最大;在没有障碍物阻挡的情况下 输入的是高电平1,相当于前面挡了张黑纸，当传感器前方检测到障碍物时 输入的是低电平0,相当于前面挡了张白纸。由此可以列出小车循迹动作与 传感器输入到FPG芯片的电平状态对照表，见表。在表中列出了传感器输 入状态的所有可能情况，并给出小车对应的规避动作。表传感器输入状态与小车规避动作对照表传感器输入状态小车动作传感器输入状态小车动作0000直行0100右转0001左转0101停止0010左转0110直行0011左转0111左转1000右转1100右转1001停止1101停止1010停止1110右转1011停止11

39、11直行根据以上分析设计出避障模块的程序，编译仿真之后创建模块文件。如图循迹模块图图所示。Clk2是系统时钟脉冲，DIN O,DIN 1,DIN 2,DIN 3分别为小车左，中，中，右四个光电传感器的输入信号，ENC端为模块使能信号输入。Zuo1,zuo2为左轮的两路输入，you1,you2为右轮的两路输入，en 1,en2分别 为左轮和右轮的使能，由于循迹速度太快，现象不明显，这里给使能进行 了 PWM调速，速度减慢，效果才好。当 ENC输入信号为低电平时，循迹模 块使能，此时输入的传感器信号经模块处理之后，输出端输出相应信号， 实现对黑线的循迹。编译之后进行模块的功能仿真，得到如图所示的波

40、形。从波形上可以看 出，以上设计功能全部实现图循迹模块仿真波形驱动模块驱动模块的功能驱动模块是本设计的基本模块之一，是将以上各模块的逻辑操作转化到 实际运动的一个模块。该模块输入上述几个功能模块输出的使能、正反和 速度控制信号，再将其转化为直流电机驱动信号输出到外围驱动电路中， 控制小车车轮的运行。由于本设计中出现了速度的变化，且使用的是直流 电机，需要引入脉冲宽度调制（pwm进行调速。脉冲宽度调制调速基本原理脉冲宽度调制，英文是“ Pulse Width Modulation ”，缩写PWM简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常 有效的技术。PWI是常用的一种调

41、速方法，其基本原理是用改变电机接通和 断开的时间比（占空比）来控制电机的速度，在脉宽凋速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可调整电机的速度。在传统的PWM调速系统中一般采用硬件作为脉冲发生器的方式，应用的元器件较多，同样会增加电路的 复杂程度，随着电子技术和大规模可编程逻辑器件的发展，PWM采用软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性，实现了硬件设计软件化。驱动模块的设计周期运行模块向驱动模块输出使能信号、正反方向信号、速度信号。速 度控制是本模块在程序结构上区别于其他模块的地方。分为高速挡和低速 挡，将高速模式设置为将直流电直

42、接接到直流电机上，低速档使用PWM调速脉冲驱动。由于本设计没有精确的速度要求，将低速档位的速度能与高 速挡位的速度区别开即可。按此要求完成程序设计，编译之后创建块文件， 如图所示。图 驱动模块图Clkl为系统时钟脉冲，EN为模块使能信号输入端，ZF输入端连接的是 周期模块输出的正反方向控制信号，SP输入端是周期模块输入的速度控制 信号Zuo1,zuo2为左轮的两路输入，you1,you2为右轮的两路输入，en 1,en2 分别为左轮和右轮的使能。使能信号为高电平时，电机驱动模块开始工作ZF 输入为高电平时，电机正向转动；ZF输入为低电平时，电机反向转动。SP输入为高电平时，电机加速转动；SP输

43、入为低电平时，电机低速转动。计数器在clkl时钟脉 冲上升沿的触发下进行0到200的循环加法计数。在计数值在0到80区间 中时，en 1,en2输出低电平；计数值大于80时，en 1,en2输出高电平。对程序进行功能仿真之后得到图所示波形，从图上可以看出，输图驱动模块仿真波形入输出波形完全达到设计要求。模式选择模块由于本设计之中包含周期运行、自主避障运行、遥控运行、魔手运行、 循迹运行五种功能，功能之间的切换依靠五个自锁开关进行切换。模式选 择模块的作用是为了防止自锁开关的误操作，保证当且仅当只有一个自锁 开关使接通状态时向对图模式选择模块图应模块输出使能信号。程序设计完成，编译之后创建块文件

44、，如图所示EN_BIZHANG1 EN_YAOKONG,EN_C YCLE,EN_XUNJI,EN_BIZ 分别对应 五个自锁开关，当其中只有一个输入低电平时对应的输出端向对应能块输 出低电平使能信号，并在数码管上显示数字指示第几个开关打开，其功能 仿真波形如图所示。LT厂* 1口*孑asJTl 溉 nE-lsj侔If I -EESJrto冋a阳 TJ1_JLJIL1Lq11111r1i1ii.1I Ir Ii1_1 鳥約刚 期口;1gintpq.ariKiy：!nnrIBLFWIEdK m-图模式选择模块仿真波形顶层图设计 以上各个功能模块设计完成之后需要建立一个顶层原理图文件，将以上模块综

45、合起来，并按照逻辑功能连接模块之间的接线。这些工作完成之后就Flow StttUEQuurtus II VersionRevi si om HameTop_leifel Inti ty MameF ：an 1 lyDevi ceTimi口岸 modelstiming rtq.uiirtnntsTotal lgi c Lfi-nantsTckt&l pansTotal virluaJ. pinsTotal memory bitsDS? klock 9_bi t elemecitsTotal PLLsTotal DlXsUFM llocks得到图所示的顶层图文件图小车控制器程序顶层图Suceess

46、fil - Thu Jan 02 12.02.2014ft. 0 Btili 215 05/29/2008 SJ Full rslofi zorghtzongtie冏11EFM5T0T1ODC5F t DalI5202 / 570 ( 3E 篤；l32 / 16 ( 4 2 )D0D000 / 1 ( o % )资源占用情况:该程序运行周期过长，而Quartusll软件提供的仿真环境不适合长时间的功能仿真，故在此不进行全局仿真。4. 硬件设计硬件设计的目的完成软件程序设计功能的硬件载体。包括FPGA芯片选取，电源模块设计，模式选择开关电路的设计，输入信号采集的光电传感 器障碍检测电路、无线信号

47、接收电路和输出信号控制的驱动电路的实现。检测电路检测电路包括3个光电传感器进行障碍检测，和一个以LM339四电压比 较器为核心的中控电路。本设计选用的光电传感器是 NPN型光电开关。外接3条引线，分别是电源、接地、信号输出。正常状态下发射端发出红外信号，接收端没有接到 发射回来的红外信号，此时感应信号输出高电平。当检测到障碍物时，发 射端发出的红外信号经障碍物反射，接收端接收到红外信号，此时感应信 号输出低电平。光电传感器有效探测距离 3至80cm可调，本次设计通过调 节滑动变阻器将探测距离设置为 30cm。VCC VCCVCC单图自源工作模式。中控板以LM339为核心，对传感器集中供电，并接

48、收传感器的反馈信号经处理输出到FPGA芯片。LM339内部包括有四个独立的电压比较器，在很宽的电源电压范围内适一路光电传感器与电压比较器原在方波发生器、时间延时器、脉冲发生器、A/D转换器等广泛应用。光电传感器信号输入到LM339中经电压比较器处理之后，向FPGA芯片输入端发送 数字信号。当传感器未检测到障碍时，中控电路对应的发光二极管常亮， 向芯片发送低电平；当检测到障碍时，对应发光二极管熄灭，向芯片发送 高电平。一路光电传感器和原理如图所示。将三路信号输出端接入FPGA芯 片，作为避障模块的输入图光电传感器图感应电路中控板图和图所示为光电传感器和中控板实物四路銓迹模块遥控接收电路遥控接收电

49、路采用SC2272-M4解码电路，又名5V高频超再生四路解码 接收模块。工作电压为DC5V静态电流为；调幅调制；接收灵敏度为-105dB; 工作频率315；编码方式是焊盘编码（固定码）；工作方式为点动，按住不放输出，放开停止输出。超再生接收模块采用LC振荡电路，内含放大整形, 输出的数据信号为解码后的高电平信号，使用极为方便，并且价格低廉， 所以被广泛使用。遥控接收电路原理如图所示，VT是无线接收状态输出端， D3至D1是四位并行信号输出17。图和图所示为无线信号收发模块驱动电路直流电机驱动原理直流电机的驱动方法是 H桥驱动，电路得名 “H桥驱动电路”是因为它形似字母H。图中所示为一个典型的直

50、流电机驱动电路。如图所示，H桥图SC2272无线信号接收模式电机驱动电路包括4个三极管和一个直流电机。要使得直流电机运转， 须导通对角线上的一对三极管，形成电势差。根据不同三极管对的导通情 况，电流可能会从两条线路流过直流电机。左上方至右下方流过直流电机图无线信号发送模或从右上至左下流过直流电机。通过电流不同的流向控制直流电机的转动方向。例如，当三极管 Q1和三极管Q4导通，这时电流就从电源正极经 Q1从左上方至右下方穿过直流电机，然后从Q4发射极重新流回到电源的负极。该流向的电流将会驱动直流电机做顺时针转动。当另一对三极管Q2和Q3导通时，电流将从右上至左下流过直流电机，电流将从右至左流过直

51、流电机，此时驱动直流电机做逆时针转动图H桥驱动电路图L298N驱动电路好在现在市然而在实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的, 面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使 用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。 比如常用的L293D L298NULN2003等。电机驱动芯片及驱动电路L298N是ST公司生产的一种咼电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A；额定功率25W内含两 个由四个大功率晶体管组成的 H桥电路构成的H桥高电压大电流全桥式驱动器（如图所

52、示），可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等图L298N芯片内部原理图感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输 入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部 逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制 电路。使用L298N芯片驱动电机，可以驱动一台两相步进电机或四相步进 电机，也可以驱动两台直流电机。本次设计使用该芯片驱动两台直流电机。图所示是L298N的电机驱动原理，表是L298N其中一组输入信号与对应 直流电机转动状态的对照。IN3与IN4的输入与直流电机转动方向与此相同。 这样将四路输入组合起来，通过电平信号的组

53、合就能控制两直流电机的转动状态，实现小车的直行转弯。表输入电平信号与电机转动状态对照ENAIN1IN2电机转动状态110正向转动101反向转动010停止001停止L298N也给出了电机速度控制的解决办法，当驱动电路使能端为高电平 时直流电机转动，当使能端为低电平时直流电机停止转动。那么给使能端 接入FPGA芯片输出的的PWM控制信号就能实现对直流电机转动速度的控汙啖-丄 zrre-uLJ IL图L298N驱动模块制。L298N驱动模块实物如图模式选择电路模式选择电路采用三路开关向FPGA芯片输出低电平信号，实现不同功能之间的切换电路原理如图所示。GO&PIN35PIN38PIN36PIN34P

54、IN20图开关电路原理图5设计结果 硬件组装将以上硬件组装起来，并用杜邦线将各输入输出端口相连接， 得到小车 的硬件成品，如图所示图小车硬件实物图软硬件联合测试软件程序和硬件电路全部完成之后进行软硬件的联合调试。 首先对程序 进行引脚锁定，编译之后，将生成的.sof文件下载到FPGA芯片中去，然后 进行各功能实现情况的测试。测试准备测试之前先要进行引脚锁定，将原理图中德输入输出端与FPGA芯片管脚进行映射，然后外围电路才能与软件程序配合运行。在实现功能的前提 下，尽可能的将引脚设置的易于连接，得到各端口与芯片管脚对应关系见表程序端口与FPGA芯片管脚对应关系端口种类原理图端口名称FPGA寸应管脚EN_BIZHANGPIN34EN_BIZHANG1PIN20EN_