fpga设计与应用：智能小车设计方案

　　 前言：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。

　   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SoPC Builder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CT Microelecttonics公司的大功率直流电机驱动芯片L298，最高支持50 V电压，最大电流为5 A，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Verilog HDL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，不需要NiosⅡ CPU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GND 和+3．3 V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

　　系统采用PTR4000无线嵌入式模块，工作频率为2．4 GHz，最高工作速率可达1 Mb／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。

　　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Nios ⅡIDE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Eclipse IDE project工程以及EclipseC／C++开发工具（CDT）工程，NiosⅡIDE为GCC编译器提供了一个图形化用户界面，