郭崢+劉麗君

摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，F(xiàn)PGA也得到加快發(fā)展，自可變成邏輯芯片逐漸升級(jí)為可編程系統(tǒng)級(jí)芯片，在電路中所發(fā)揮的功能也更為豐富，包括數(shù)字信號(hào)處理、高密度預(yù)算等，應(yīng)用范圍也擴(kuò)展到消費(fèi)電子、汽車電子以及工業(yè)控制等多個(gè)方面。本文基于FPGA的智能小車設(shè)計(jì)，對(duì)于電子玩具的深入研究具有重要意義。

關(guān)鍵詞：FPGA；智能小車；設(shè)計(jì)

本文主要基于FPGA設(shè)計(jì)一種智能玩具，系統(tǒng)主要通過PWM波實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車行駛速度進(jìn)行控制，以紅外線傳感器對(duì)路面上的黑色軌跡進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)信號(hào)反饋給控制芯片F(xiàn)PGA，F(xiàn)PGA發(fā)出指令并對(duì)小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行合理控制，調(diào)整智能小車的行駛方向，從而通過對(duì)超聲波模塊的合理利用，對(duì)前方障礙物進(jìn)行檢測(cè)，并確保智能小車沿著黑色軌跡保持自動(dòng)行駛狀態(tài)，促進(jìn)小車避障循跡功能的順利實(shí)現(xiàn)。

1 智能玩具小車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文主要目標(biāo)是基于FPGA設(shè)計(jì)智能玩具小車，優(yōu)化智能玩具小車的控制系統(tǒng)，以確保器自動(dòng)循跡自動(dòng)避障功能的實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)中以常見電機(jī)模型作為主要機(jī)械平臺(tái)，基于設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行細(xì)化的基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化利用，促進(jìn)智能玩具小車各項(xiàng)功能的順利實(shí)現(xiàn)。待設(shè)計(jì)完成后，將硬件模塊與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行組合，促進(jìn)多功能智能玩具小車的形成，確保智能小車的前進(jìn)倒退、轉(zhuǎn)向行駛以及自動(dòng)循跡避障等功能的實(shí)現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)智能化控制。其中硬件模塊主要由紅外線自動(dòng)循跡以及超聲波自動(dòng)避障所組成。

就智能玩具小車的總體設(shè)計(jì)來看，其主要由傳感器信號(hào)處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及控制模塊所組成，智能小車自主運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)，主要依靠傳感系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間的協(xié)調(diào)配合得以實(shí)現(xiàn)。其中，系統(tǒng)模塊FPGA芯片中自動(dòng)循跡避障功能的順利實(shí)現(xiàn)，以Verilog HDL語(yǔ)言描述為依托，并于LED屏上準(zhǔn)確顯示出障礙物距離，從而保證基于FPGA的智能玩具小車設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

該系統(tǒng)主要基于數(shù)個(gè)紅外對(duì)射傳感器作用于FPGA芯片中，從而促進(jìn)智能玩具小車自行躲避障礙物功能的順利實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距原理主要采用渡越時(shí)間法來測(cè)定聲源與障礙物之間的距離。智能玩具小車運(yùn)行過程中的前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)等運(yùn)行方式的實(shí)現(xiàn)，是基于GPIO驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，將控制信號(hào)自端口輸出后，基于FPGA所輸出的PWM信號(hào)來對(duì)智能玩具小車進(jìn)行科學(xué)化控制。電機(jī)控制中主要以PWM脈沖寬度調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)玩具小車前進(jìn)速度的控制，以PWM信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)芯片的控制端實(shí)現(xiàn)玩具小車行駛速度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)智能化操作。本文基于FPGA的智能玩具小車設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

基于紅外光電傳感器的基礎(chǔ)上所設(shè)計(jì)的光電傳感器模塊具有一定特殊性，基于高發(fā)射功率下，紅外光二極管和高靈敏度光電晶體管組成傳感器，經(jīng)過施密特電路整形處理的輸出信號(hào)具有高度穩(wěn)定性和可靠性。在光電檢測(cè)電路中，傳感器的紅外發(fā)射二極管將紅外線發(fā)射出來，若紅外線未被反射回來或所反射強(qiáng)度不大，則光敏三極管處于關(guān)斷狀態(tài)，模塊輸出端處于低電平狀態(tài)，指示二極管處于熄滅狀態(tài)，此為第一種情況。若被測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)，紅外線被反射的強(qiáng)度較大，光敏三極管處于飽和狀態(tài)，模塊輸出端為高電平，指示二極管處于點(diǎn)亮狀態(tài)，此為第二種情況。該智能玩具小車系統(tǒng)中，光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)中所使用的反射式光電傳感器種類豐富，價(jià)格低廉，質(zhì)量可靠且便于使用，基于所接收信號(hào)的變化情況能夠?qū)z測(cè)物體狀態(tài)的具體變化情況進(jìn)行合理判斷，圖2為傳感器模塊電路原理圖。

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，比較器輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到控制模塊的I/O口，當(dāng)I/O口檢測(cè)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(cè)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3～30V，或正負(fù)雙電源±1.5～±15V工作。在黑線檢測(cè)電路中用來確定紅外接收信號(hào)電平的高低，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。

2.2 超聲波傳感模塊

基于FPGA的智能玩具小車設(shè)計(jì)中，超聲波傳感器發(fā)生器測(cè)距的實(shí)現(xiàn)，主要是通過發(fā)射器所發(fā)射的超聲波信號(hào)倍物體反射后被接收頭所接受，由于接收頭具有一定壓電效應(yīng)，能夠在接受信號(hào)后產(chǎn)生mv級(jí)的微弱電壓信號(hào)，從而借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)決。超聲波測(cè)距原理如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PWM來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度，通過Verilog HDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)FPGA的邏輯門控制。小車進(jìn)入循跡模式后開始不停地掃描與紅外探測(cè)器連接的單片I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的運(yùn)行狀態(tài)。智能玩具小車循跡避障流程圖分別如圖4、圖5所示。

5 結(jié)論

本文基于FPGA所設(shè)計(jì)的智能小車是一種智能化電子玩具，以紅外傳感器作為循跡模塊，并通過FPGA芯片對(duì)智能小車實(shí)現(xiàn)科學(xué)化控制。該智能玩具小車設(shè)計(jì)中主要對(duì)單元模塊化的電路加以應(yīng)用，系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔化與智能化程度較高，性能優(yōu)良，通過測(cè)試可知，該智能玩具小車能夠?qū)崿F(xiàn)避障循跡，響應(yīng)速度較快。

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