一種基于FPGA的智能小車設(shè)計(jì)方案

　　摘要：文中介紹了一種基于FPGA的智能小車設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采用FPGA產(chǎn)生的PWM波調(diào)控小車速度，紅外線傳感器TCRT5000檢測路面上的黑色軌跡，井將檢測到的信號(hào)反饋給控制芯片F(xiàn)PCA，F(xiàn)PCA由采集到的信號(hào)發(fā)出指令，控制小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以調(diào)整行駛方向，從而使小車能夠沿著黑色軌跡自動(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(xiàn)了小車的避障循跡功能。

　　隨著FPGA從可編程邏輯芯片升級(jí)為可編程系統(tǒng)級(jí)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(shù)字信號(hào)處理、接口、高密度運(yùn)算等廣闊的范圍，應(yīng)用領(lǐng)域也從通信延伸到消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)控制、醫(yī)療電子等更多領(lǐng)域。本文在研究嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了基于FPGA的智能小車設(shè)計(jì)方案，旨在自動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場、危險(xiǎn)工作地段等特殊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)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(shè)計(jì)了一種具有避障循跡功能的智能小車系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)方案

　　本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)能自動(dòng)循跡自動(dòng)避障的智能小車控制系統(tǒng)，采用FPCA芯片實(shí)現(xiàn)了智能小車的控制等的功能，選擇常見的電機(jī)模型車為機(jī)械平臺(tái)，通過細(xì)化設(shè)計(jì)要求，結(jié)合傳感器技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)小車的各種功能。設(shè)計(jì)完成以由紅外線自動(dòng)尋跡、超聲波自動(dòng)避障組成的硬件模塊結(jié)合軟件設(shè)計(jì)組成多功能智能小車，共同實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)倒退、轉(zhuǎn)向行駛，自動(dòng)根據(jù)地面黑線尋跡導(dǎo)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(xiàn)智能控制。

　　2 總體設(shè)計(jì)

　　智能小車由傳感器信號(hào)處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和控制模塊，與車上的傳感系統(tǒng)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路相配合，實(shí)現(xiàn)小車自主運(yùn)動(dòng)的功能，其中各個(gè)系統(tǒng)模塊均用VHDL語言描述并在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)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(jù)紅外傳感器發(fā)回來的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用了4個(gè)紅外對射傳感器，通過FPGA來檢測傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)小車躲避障礙物。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?？刂栖嚹＿\(yùn)行狀態(tài)，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，服務(wù)器端打開GPIO驅(qū)動(dòng)，通過CPIO端口輸出控制信號(hào)，控制FPCA輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，即可控制車模的運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)控制采用PWM脈沖寬度調(diào)制方式來控制汽車的前進(jìn)速度。PWM信號(hào)送入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的控制端來調(diào)節(jié)速度。小車系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　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(shè)計(jì)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(hào)經(jīng)施密特電路整形，穩(wěn)定可靠。傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強(qiáng)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(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來且強(qiáng)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)。通過發(fā)射紅外信號(hào)，看接收信號(hào)變化判斷檢測物體狀態(tài)的變化，圖2為TCRT5000傳感器模塊電路原理圖及實(shí)物圖。

　　當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號(hào)，那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出為低電平;當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)，紅外線信號(hào)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(xiàn)了通過紅外線檢測信號(hào)的功能。將檢測到的信號(hào)送到控制模塊的I/O口，當(dāng)I/O口檢測到的信號(hào)為高電平時(shí)，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上;同理，當(dāng)I/O口檢測到的信號(hào)為低電平時(shí)，表明小車行駛在白色地面上。

　　回滯比較器LM324在系統(tǒng)中起到抗干擾的作用，LM324為四運(yùn)放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)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(fù)雙電源±1.5～±15 V工作。在黑線檢測電路中用來確定紅外接收信號(hào)電子的高低，以電平高低判定黑線有無。在電路中，LM324的一個(gè)輸入端需接滑動(dòng)變阻器，通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值來提供合適的比較電壓，圖3為LM324的管腳圖。

　　圖4為紅外對管黑線檢測電路。

　　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)射出長約6 mm，頻率為40 kHz的超聲波信號(hào)，此信號(hào)被物體反射回來由接受頭接受，接收頭實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接受到信號(hào)后產(chǎn)生mv級(jí)的微弱電壓信號(hào)。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)間法來實(shí)現(xiàn)的。原理框圖如圖6所示。