基于FPGA的室內(nèi)智能吸塵平臺設(shè)計
智能環(huán)境清潔器由于可代替人進行環(huán)境清潔工作,已日漸成為人們研究的焦點。雖然它們實現(xiàn)了智能,但大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高,不利于開發(fā)者拓展其功能。在研究并總結(jié)市場上相對成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,本文基于可編程性強的FPGA設(shè)計并實現(xiàn)了應(yīng)用于室內(nèi)的智能吸塵平臺。平臺具備自我導(dǎo)航、能清潔大部分空間,同時外形緊湊、運行穩(wěn)定、噪音小。更重要的是其結(jié)構(gòu)簡單,具有人性化接口,便于操作和功能的進一步開發(fā)。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/189625.htm1 平臺總構(gòu)成
本文提出的平臺整體框架設(shè)計如圖1所示,用裝有四個輪子的小車作為整個平臺的載體。以FPGA控制器作為整個平臺的主控器,通過I/O與光電傳感器jk1、jk2、jk3、jk4及碰撞開關(guān)jk5相連,實現(xiàn)平臺障礙的檢測;通過I/O輸出PWM波形,驅(qū)動揚聲器和高低電平的變化以驅(qū)動LED的亮滅,組成聲光電路;通過控制電機驅(qū)動器的信號控制線來驅(qū)動步進電機dj1、dj2和直流吸塵電機dj3,實現(xiàn)平臺的移動和吸塵。
2 硬件主體設(shè)計
系統(tǒng)主要由FPGA主控芯片、光電傳感器、碰撞開關(guān)、由2個STC89C52單片機控制的無線遙控發(fā)射模塊、兩種模式選擇芯片、聲光電路、驅(qū)動電機、吸塵器電機和整個系統(tǒng)的供電電路組成,如圖2所示。
2.1 FPGA芯片的選擇
根據(jù)平臺的總體設(shè)計,可以得出對芯片的基本要求:(1)需要最少6路PWM波形輸出。(2)需要一路串行通信接口。(3)需要較高的12 V轉(zhuǎn)化為3.3 V的實時芯片。(4)較高的處理速度。(5)I/O接口要多。
綜合考慮這些條件,采用Altera公司生產(chǎn)的CycloneII系列FPGA中的EP2C35F672C6型號基本可滿足要求。它具有出色的運算速度,成本低且?guī)в蠨SP模塊,具有超大的內(nèi)部存儲器、多通道PWM輸出以及靈活的設(shè)計和多種語言的綜合運用,性價比較高[1,2]。
2.2 配置電路設(shè)計要點[3-6]
(1)電源電路:供電系統(tǒng)采用12 V電源作為輸入電源,利用L7805CV將其降壓為5 V,再由TPS37HD301將5 V轉(zhuǎn)化為3.3 V和1.2 V,F(xiàn)PGA的I/O端口供電點壓為3.3 V,內(nèi)核供電電壓為1.2 V。因為電機驅(qū)動系統(tǒng)是用控制器的5 V信號,而FPGA的端口電壓是3.3 V,必須將I/O電壓升壓到5 V,在這里利用的是74HCT245升壓芯片。
(2)時鐘和復(fù)位電路:時鐘電路中用ZPB-26-16 M作為有源晶振,頻率為16 MHz,使得串口波特率更加精確。同時可支持芯片內(nèi)部的PPL功能及ISP下載功能。復(fù)位電路采取硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。
(3)調(diào)試JTAG和下載電路:因為FPGA內(nèi)部可以直接搭建軟核ISP和JTAG,硬件電路接一個IDC-10的JTAG接口。
(4)配置存儲電路:選用EPCS16作為FPGA的ROM,可以由下載電纜或其他設(shè)備進行重復(fù)編程,也可以通過AS接口進行在線系統(tǒng)編程。用FPGA芯片內(nèi)部自帶的4 MHz的On-Chip memory作為FPGA的RAM。
(5)傳感器和碰撞開關(guān):光電傳感器(光電開關(guān))選用滬工集團的E3F-DS5C4.P1R型號的光電開關(guān),用于檢測障礙和樓梯,此型號是圓柱型擴散式最遠(yuǎn)距離5 cm、可調(diào)NPN型常開光電開關(guān)。碰撞開關(guān)主要與前傳感器配合完成對平臺前的保護。當(dāng)平臺碰到前方障礙時,觸發(fā)開關(guān),使平臺躲開障礙物。
(6)無線發(fā)送與接收模塊:選用匯睿微通XL02-232AP1型號無線模塊,XL02-232AP1是UART接口半雙工無線傳輸模塊,可以工作在433 MHz公用頻段,滿足無線管制要求。
(7)驅(qū)動和吸塵電機:平臺采用前輪雙驅(qū)動,電機選擇深圳步科公司生產(chǎn)的兩相混合式步進電機,吸塵器電機采用直流電機。步進電機的主要電器參數(shù)為:①步距角:1.8°;②相電流:0.87 A;③保持扭矩:0.24 nm;④相電阻:3.3 Ω;⑤相電感:5.0 mH;⑥重量:0.2 kg。
(8)聲光電路和自動清掃時間輸入顯示電路:聲光電路主要由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成,直接連FPGA,提醒平臺工作狀態(tài)。利用4個按鍵(確定、初始、上調(diào)、下調(diào))輸入清掃時間,再由三個數(shù)碼管顯示設(shè)定時間。清掃時間由FPGA內(nèi)部的定時器計時,當(dāng)計時完成時,平臺即停止工作。
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