經(jīng)典款嵌入式智能小車(chē)的設(shè)計(jì)技巧，提供硬件選型

1. 前言

傳統(tǒng)智能小車(chē)，特別是嵌入式系統(tǒng)，一般都是基于單片機(jī)或者ARM的嵌入式系統(tǒng)，基本上都由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成的，硬件系統(tǒng)方面，跟傳統(tǒng)的搭建硬件環(huán)境一樣，只能做相對(duì)裁剪和功能拓展，但是，本項(xiàng)目的課題是通過(guò)xilinx的FPGA開(kāi)發(fā)板搭建嵌入式的硬件環(huán)境，從最小系統(tǒng)到IP核的添加，都是根據(jù)需要進(jìn)行拓展的，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的拓展，不浪費(fèi)資源，而且基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的最大有優(yōu)點(diǎn)是，既有PFGA的并行執(zhí)行效率，又有嵌入式軟件的邏輯過(guò)程分析控制。

2. 總體方案設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

使用Spartan-6的XC6SLX16 CSQ234 作為主控制器，傳感器使用攝像頭ov6620圖像采集模塊（兼測(cè)路徑），使用超聲波模塊（HCSR04）測(cè)距，由于兩者具有互補(bǔ)特性，所以能夠很好的控制小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，采用模糊算法計(jì)算出電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速，和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步漸進(jìn)。

1. 1主控制器的選擇

解決方案：采用可編程邏輯器件FPGA作為控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，體積小，穩(wěn)定性高，IO資源豐富，易于外圍功能擴(kuò)展，隨著FPGA的成本逐步降低，而且基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的搭建也成為可行，既有傳統(tǒng)嵌入式的軟件靈活性，也有FPGA的并行快速執(zhí)行效率。

綜上所述，我們選用的Nexys3 Spartan-6作為系統(tǒng)的主控制器。

1. 2電源穩(wěn)壓芯片的選擇

本系統(tǒng)中，Spartan-6主控制器。

解決方案：由于直流電機(jī)的功耗大，決定采用7.2V，2000mAh的電池為供電源，采用LM25xx系列單片集成開(kāi)關(guān)電源作為降壓芯片，可以提供大功率的輸出，轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定。

1. 3電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇

解決方案：采用BTS7960B搭建全橋驅(qū)動(dòng)，可以滿(mǎn)足大功率的輸出，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。

驅(qū)動(dòng)模塊電路

1. 攝像頭模塊的選擇

方案：采用數(shù)字?jǐn)z像頭ov6620，控制簡(jiǎn)單，價(jià)格合適，信號(hào)穩(wěn)定。

3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1. 1車(chē)體模型

實(shí)物如下圖所示。

圖2 車(chē)體實(shí)際模型

攝像頭尋找黑線(xiàn)，指引小車(chē)循跡，超聲波測(cè)距，指引小車(chē)自控速度。

1. 2電源

其原理圖如圖三所示：

7.2V的輸入，穩(wěn)定輸出5V

1. 3Ov6620攝像頭傳感器模塊

OV6620 時(shí)序分析

OV6620的同步信號(hào)時(shí)序如下：場(chǎng)同步信號(hào)VSYN 為兩個(gè)正脈沖之間掃描一幀的定時(shí)，即

完整的一幀圖像在兩個(gè)正脈沖之間；行同步信號(hào)HREF 掃描該幀圖像中各行像素的定時(shí)，

即高電平時(shí)為掃描一行像素的有效時(shí)間；像素同步信號(hào) PCLK為讀取有效像素值提供同步信

號(hào)，高電平時(shí)輸出有效圖像數(shù)據(jù)。下圖為OV6620 VSYN、HREF、PCLK三個(gè)同步信號(hào)之

間的時(shí)序關(guān)系：

VYNSC是判斷是否一幅圖像開(kāi)始，周期是 20ms, 其中高電平持續(xù)時(shí)間很短；HREF 是判

斷是否一行圖像的開(kāi)始，周期是 63us 左右，其中高電平持續(xù)時(shí)間為 40US，低電平持續(xù)

時(shí)間 23US，那么我們對(duì)照時(shí)序圖可以計(jì)算一下 OV6620 的分辨率：20ms/63us=317,

當(dāng)然實(shí)際上沒(méi)有這么多，消隱和無(wú)效信號(hào)去掉之后只有 292行；有效的灰度數(shù)據(jù)是在行中

斷之后的上升沿內(nèi)，所以不要在行中斷后的 23US 后采集。計(jì)算一下一行 OV6620 有多

少個(gè)點(diǎn)： 40us/110ns=363, 消隱和無(wú)效信號(hào)去掉之后只有 356 個(gè)點(diǎn)。足以證明

OV6620的分辨率為 356*292。通過(guò)示波器觀(guān)察，PCLK 的周期只有 150ns，依照單片

機(jī)的總線(xiàn)，根本無(wú)法捕捉到這個(gè)信號(hào)，此時(shí)PCLK 的波形已經(jīng)變?yōu)榧獠?，完全沒(méi)有意義捕捉

這個(gè)信號(hào)，采集圖像時(shí)盡快地一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)的取就行了。

1. 4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)中采用了BTS7960B搭建全橋驅(qū)動(dòng)，可以滿(mǎn)足大功率的輸出，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。

BTS7960B 的芯片內(nèi)部為一個(gè)半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET 導(dǎo)通。IN=1 且INH=1 時(shí)，高邊MOSFET 導(dǎo)通，OUT 引腳輸出高電平；IN=0 且INH=1 時(shí)，低邊MOSFET 導(dǎo)通，OUT 引腳輸出低電平。SR 引腳外接電阻的大小，可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間，具有防電磁干擾的功能。

3.5下圖是由FPGA構(gòu)建的最小嵌入式系統(tǒng)，是根據(jù)xilinx官方的EDK要求搭建的。

最小系統(tǒng)

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為三部分，第一部分是最小系統(tǒng)的搭建（軟件初始化），第二部分是外部硬件的驅(qū)動(dòng)，第三部分是核心算法。

1. 1最小系統(tǒng)的搭建（軟件初始化）：

利用EDK工具，搭建最小的嵌入式系統(tǒng)。

1. 2外部硬件驅(qū)動(dòng)：

外部硬件驅(qū)動(dòng)，選擇以IP核的形式添加到最小系統(tǒng)歷來(lái)，用硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)核心代碼，然后軟件通過(guò)寄存器驅(qū)動(dòng)外部硬件。

1. 3核心算法：

這部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

圖10 軟件結(jié)構(gòu)框圖

5系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試

調(diào)試過(guò)程：

5.1硬件平臺(tái)的方案測(cè)試

在EDK設(shè)計(jì)中，可以新建測(cè)試代碼，自動(dòng)生成測(cè)試代碼，通過(guò)串口打印驗(yàn)證結(jié)果。

5.2 超聲波模塊的使用

在增加IP核過(guò)程中，需要根據(jù)超聲波的時(shí)序要求，用硬件描述語(yǔ)言描述驅(qū)動(dòng)的過(guò)程。

process(Bus2IP_Clk,slv_reg1,the_end)

begin

if slv_reg1=x00000000 then

counter=x00000000;

chao_out = 0;

div_clk=0;

elsif rising_edge(Bus2IP_Clk) then

if the_end = 1 then

chao_out = 1;

counter=counter+1;

if(counter=x1F4) then

counter=x00000000;

chao_out = 0;

div_clk=1;

end if;

end if;

end if;

end process;

-- implement slave model software accessible register(s) read mux

SLAVE_REG_READ_PROC : process( Bus2IP_Resetn,slv_reg_read_sel, slv_reg0, slv_reg1,Bus2IP_Clk,div_clk ) is

begin

case slv_reg_read_sel is

when 10 =>

if Bus2IP_Resetn = 0 then

timer_count = x00000000;

the_end = 0;

elsif div_clk=1 then

if slv_chao_in=1 then

the_end = 0;

timer_count = timer_count + 1;

else

slv_ip2bus_data = timer_count; --slv_reg0;

the_end = 1;

timer_count = x00000000;

end if;

else

slv_ip2bus_data = slv_reg0;

end if;

when 01 => slv_ip2bus_data = slv_reg1;

when others => slv_ip2bus_data = (others => 0);

end case;

end process SLAVE_REG_READ_PROC;

5.3 PWM模塊的調(diào)試

由于需要兩路的PWM來(lái)分別操作舵機(jī)和直流電機(jī)，所有PWM的調(diào)試時(shí)至關(guān)重要的。

代碼如下：

int main()

{

unsigned long i,j;

//close PWM

PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_0_BASEADDR,0,0x00); //PWM0

PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_1_BASEADDR,0,0x00); //PWM1

for(i=0;i=99999;i++);

PWM_deal(0x2E);

while(1)

{

PWM_deal(0x2E);

delay(60);

PWM_deal(0x38);

delay(60);

PWM_deal(0x2E);

delay(60);

PWM_deal(0x24);

delay(60);

}

return 0;

}

void PWM_deal(unsigned char reg0)

{

//PWM0 舵機(jī)

//PWM 頻率

PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_0_BASEADDR,0,0x1F4);

//PWM 占空比

PWM_IP_mWriteSlaveReg0(XPAR_PWM_IP_0_BASEADDR,0,reg0);

//PWM1 直流電機(jī)

PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_1_BASEADDR,0,0x1F4); //

PWM_IP_mWriteSlaveReg0(XPAR_PWM_IP_1_BASEADDR,0,reg0); //slv_reg0

}