基于FPGA的智能小车设计方案.doc

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1、基于FPGA的智能小车设计方案　　智能监控机器人是近年来机器人应用工程中一项前沿性的题目，智能化探测小车是智能行走机器人的一种。智能监控机器小车就是针对上述情况，在参考了目前大多数智能机器人的基础上，以降低成本为原则设计的。小车具备温湿度和环境监测、无线通信、躲避障碍物以及无线遥控等功能。此智能监控机器小车与目前已有的同类设计相比，有性价比高、操作方便、可靠性好、功耗小等优点。　　　　1系统结构及硬件设计　　整个系统由发送端（智能小车部分）和接收端（控制台：控制和显示部分）组成，如图1所示。系统由传感器系统、动力及转向系统、CCD图像传感器模块、LCD

2、显示、温度和湿度测量电路和供电系统等组成，整个系统的控制核心以2片Altera公司的EP2C20F484为核心，在Altera公司的QuartusⅡ和SoPCBuilder开发环境中完成。根据系统硬件结构添加所需要的外围模块并生成NiosⅡCPU。　　　　　　1．1供电系统　　小车安装了两块充电电池，分别为FPGA开发板（FPGA控制电路）和小车运动提供能量，电池置于车身底部。　　　　1．2传感器系统　　系统采用了6个红外对射传感器，通过FPGA配置的NiosⅡCPU来检测传感器信号实现小车躲避障碍物的功能。漫反射型红外对射传感器也称光电开关，是一种集

3、发射器和接收器于一体的传感器，多用于检测障碍物。原理是由光电开关辐射出来的调制红外光束被检测物体反射回来，红外线经同步选通接收，由电子开关线路驱动回路，从而来检测物体的有或无。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。这种电路模块体积小，信号容易转化为标准电平。　　　　1．3动力及转向系统　　本小车有左右轮两个电机及龟机驱动。驱动电路采用了CTMicroelecttonics公司的大功率直流电机驱动芯片L298，最高支持50V电压，最大电流为5A，满足大功率电动机的要求，外围电路简单，同时，由于该芯片为双路结构，分别控

4、制左右电动机，增加了电路的可靠性，减少了复杂性。电机控制采用PWM脉冲宽度调制方式来控制汽车的前进速度。由NiosⅡCPU写入控制字，可得到不同占空比的PWM驱动信号，此PWM信号送入电机驱动芯片的控制端来调节速度。　　　　1．4小车自动避障系统　　小车自动避障系统采用VerilogHDL语言编写驱动电路。该模块（见图2中的MOTOR）和一个数据选择器（见图2中的select_2）相连来实现自动避障与人工遥控之间的切换。当小车上NiosⅡCPU的SEL管脚输出低电平时，数据选择器将把该模块的输出作为电机的控制指令。这样设计的好处在于设计具有响应迅速，不

5、需要NiosⅡCPU参与，提高了CPU处理湿度、温度数据并控制无线模块收发数据的效率。该逻辑电路的工作原理是根据红外传感器发回来的数据，经过逻辑判断来控制电机的工作状态。　　　　　　1．5小车的人工控制　　小车的人工控制和自动避障之间的转换由一个数据选择器控制，当小车上NiosⅡCPU的SEL管脚输出高电平时，数据选择器将把无线模块所发送过来的指令作为电机的控制指令，实现了对小车的无线控制。　　　　1．6温度和湿度测量　　在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器DS18B20，该系统设计中将DS18B20的1，3引脚分别接于FPGA板的G

6、ND和+3．3V管脚，2引脚接FPGA的I／O脚，传输控制及数据信号。DS18B20最高可用12位表示温度值，最高5位为符号位。　　采用HS1101湿度传感器，具有响应速度快，工作温区宽（-40～+100℃），测量范围大（0％～100％RH），可靠性高，稳定性好，功耗低，外围电路简单等优点。　　工作原理为：用HS1101传感器与TLC555构成多谐振荡器，HS1101传感器内部电容会随湿度的变化而变化，从而使输出频率发生变化。编写VHDL程序在FPGA设计一个频率计可精确的测出频率值，通过输出频率与湿度的关系便可得到湿度值。　　　　1．7无线收发系统　

7、　系统采用PTR4000无线嵌入式模块，工作频率为2．4GHz，最高工作速率可达1Mb／s，高效GMSK调制，且有CRC检错功能。具有低功耗，抗干扰能力强，体积小等优点。主要有三种工作模式，分别为：配置模式、ShockBurst发送模式和ShockBurst接收模式。　　　　2软件设计和调试　　采用NiosⅡ进行C语言编程。NiosⅡ集成开发环境（IDE）是NlosⅡ系列嵌入式处理器的基本软件开发工具。所有软件开发任务都可以在NiosⅡIDE下完成，包括编辑、编译和调试程序。NiosⅡIDE是基于开放式的、可扩展EclipseIDEproject工程以

8、及EclipseC／C++开发工具（CDT）工程，NiosⅡIDE为GCC编译器提供了一个图形