段麗娜

（華中科技大學(xué)武昌分校 湖北 武漢 430064）

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(chē)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(chē)設(shè)計(jì)方案，旨在自動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)、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CycloneⅡEP2C5T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(chē)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(chē)控制系統(tǒng)，采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)了智能小車(chē)的控制等的功能，選擇常見(jiàn)的電機(jī)模型車(chē)為機(jī)械平臺(tái)，通過(guò)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(chē)的各種功能。設(shè)計(jì)完成以由紅外線(xiàn)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(chē)，共同實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)倒退、轉(zhuǎn)向行駛，自動(dòng)根據(jù)地面黑線(xiàn)尋跡導(dǎo)航，檢測(cè)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(chē)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(chē)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(chē)自主運(yùn)動(dòng)的功能，其中各個(gè)系統(tǒng)模塊均用VHDL語(yǔ)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(lái)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用了4個(gè)紅外對(duì)射傳感器，通過(guò)FPGA來(lái)檢測(cè)傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)小車(chē)躲避障礙物。超聲波測(cè)距原理一般采用渡越時(shí)間法TOF，首先測(cè)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?chē)模運(yùn)行狀態(tài)，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，服務(wù)器端打開(kāi)GPIO驅(qū)動(dòng)，通過(guò)GPIO端口輸出控制信號(hào)，控制FPGA輸出占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，即可控制車(chē)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(lái)控制汽車(chē)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(lái)調(diào)節(jié)速度。小車(chē)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(cè)電路

圖1 智能小車(chē)系統(tǒng)框圖Fig.1 Car intelligent system block diagram

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開(kāi)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(xiàn)，當(dāng)發(fā)射出的紅外線(xiàn)沒(méi)有被反射回來(lái)或被反射回來(lái)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(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線(xiàn)被反射回來(lái)且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點(diǎn)亮。TCRT5000反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器，這個(gè)系列的傳感器種類(lèi)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(guò)發(fā)射紅外信號(hào)，看接收信號(hào)變化判斷檢測(cè)物體狀態(tài)的變化,圖2為T(mén)CRT5000傳感器模塊電路原理圖及實(shí)物圖。

圖2 TCRT5000傳感器模塊原理圖及實(shí)物圖Fig.2 TCRT5000 sensormodule principle and the real figure

當(dāng)小車(chē)在白色地面行駛時(shí)，裝在車(chē)下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線(xiàn)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(chē)行駛到黑色引導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，紅外線(xiàn)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(guò)紅外線(xiàn)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(xiàn)吸收了，表明小車(chē)處在黑色的引導(dǎo)線(xiàn)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(chē)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(xiàn)檢測(cè)電路中用來(lái)確定紅外接收信號(hào)電平的高低，以電平高低判定黑線(xiàn)有無(wú)。在電路中，LM324的一個(gè)輸入端需接滑動(dòng)變阻器，通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)提供合適的比較電壓，圖3為L(zhǎng)M324的管腳圖。

圖3 LM324的管腳圖Fig.3 LM324 pin drawing

圖4為紅外對(duì)管黑線(xiàn)檢測(cè)電路。

圖4 紅外對(duì)管黑線(xiàn)檢測(cè)電路Fig.4 Infrared tube black line detection circuit

3.2 超聲波傳感模塊

超聲波發(fā)生器測(cè)距原理是經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長(zhǎng)約6mm，頻率為 40 kHz的超聲波信號(hào)，此信號(hào)被物體反射回來(lái)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。

圖5 超聲波傳感模塊Fig.5 Ultrasonic sensingmodule

超聲波測(cè)距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。原理框圖如圖6所示。

超聲波發(fā)射電路如圖7所示。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖6 超聲波測(cè)距原理圖Fig.6 Ultrasonic ranging principle diagram

圖7 超聲波發(fā)射電路Fig.7 Ultrasonic emission figure

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用專(zhuān)用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。表1為L(zhǎng)298N功能表。L298N的 5、7、10、12四個(gè)引腳接到 FPGA上，通過(guò)對(duì)FPGA的編程就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制，其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.8 L298Nmotor drive circuit

表1 L298N輸入輸出關(guān)系Tab.1 L298N input output relationship

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PWM來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度，通過(guò)VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)FPGA的邏輯門(mén)控制。小車(chē)進(jìn)入循跡模式后就開(kāi)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(chē)的運(yùn)行狀態(tài)。小車(chē)循跡避障流程圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 小車(chē)循跡流程圖Fig.9 Car tracking chart

圖10 小車(chē)避障流程圖Fig.10 Car obstacle avoidance chart

5 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試智能小車(chē)系統(tǒng)的正常運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)場(chǎng)景對(duì)循跡小車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試路線(xiàn)是用黑色的電工膠布來(lái)鋪設(shè)，鋪設(shè)在淺色地板上，該軌道為S型，在起點(diǎn)處以及各個(gè)目的地的終點(diǎn)處，有一條貫穿軌道的黑色橫線(xiàn)，以此來(lái)指明停車(chē)點(diǎn)，S型軌道結(jié)束后，地面的任意擺上幾個(gè)障礙物，走完障礙物路面到達(dá)指定地點(diǎn)停車(chē)。

通過(guò)軟硬件調(diào)試，在Quartus II軟件上得到的仿真波形如圖11所示。

圖11 仿真波形圖Fig.11 Simulation waveform graph

6 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)的智能小車(chē)，采用紅外傳感器TRTC5000為循跡模塊、FPGA為主要控芯片。小車(chē)使用單元模塊化的電路設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，響應(yīng)快、性能穩(wěn)定，經(jīng)測(cè)試小車(chē)實(shí)現(xiàn)了避障循跡功能。

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