章志亮++陳宇哲++石新芳

摘要：該文主要運(yùn)用了FPGA技術(shù)來控制飛機(jī)的。本系統(tǒng)是用DE2-115這塊板子開發(fā)的。硬件是有Verilog語言實(shí)現(xiàn)的，包括油門的加減模塊、解鎖模塊、左右旋轉(zhuǎn)控制模塊的，前后左右方向控制等模塊?？梢詫?shí)現(xiàn)用PC機(jī)和鍵盤來操控飛機(jī)。經(jīng)檢驗(yàn)滿足了設(shè)計(jì)的要求。

關(guān)鍵詞： FPGA；DE2_115；Verilog

中圖分類號：TP342 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）09-0262-02

The Hardware Design of The Controller of The Multi Function Patrol Engine Based on FPGA

ZHANG Zhi-liang， CHENG Yu-zhe， SHI Xin-fang

（Suqian College School of electronic and Information Engineering， Suqian 223800， China）

Abstract： This paper mainly uses the FPGA technology to control the aircraft. This system is used DE2-115 development of the board. The hardware is the Verilog language， including the addition and subtraction of accelerator module， unlock module， rotating around the control module， and direction control module. Can be achieved using PC and keyboard to control the aircraft. After inspection to we can see the system meetting the design requirements.

Key words： FPGA； DE2_115； Verilog

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，航模已經(jīng)運(yùn)用與越來越多的方面，如在消防、建筑、勘測等領(lǐng)域更是運(yùn)用廣泛?，F(xiàn)代航空模型運(yùn)動分為自由飛行、線操縱、無線電遙控、仿真和電動等五大類。按動力方式又分為：活塞發(fā)動機(jī)、噴氣發(fā)動機(jī)、橡筋動力模型飛機(jī)和無動力的模型滑翔機(jī)等[1]。航空模型的最大升力面積500平方分米；最大重量25千克；活塞發(fā)動機(jī)最大工作容積250毫升。而且航?？萍蓟顒涌梢约?lì)參加者的上進(jìn)心，制作、試飛的過程可以培養(yǎng)少年兒童的動手能力和創(chuàng)造精神，可以促進(jìn)他們對外語、計(jì)算機(jī)、電子、物理，甚至管理等多個(gè)學(xué)科的學(xué)習(xí)和了解。有目標(biāo)的準(zhǔn)備比賽可培養(yǎng)他們的責(zé)任心、有始有終的毅力和合作精神。因此航模越來越受廣大民眾的喜愛。

目前大多數(shù)航模技術(shù)大多運(yùn)用的是單片機(jī)技術(shù)，而本文的創(chuàng)新在于運(yùn)用的是FPGA技術(shù)。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

本文選用的Cyclone IV EFPGA 芯片作為系統(tǒng)處理的核心。此芯片只需要兩路電源供電，簡化了電源分配網(wǎng)絡(luò)，降低了電路板成本，減小了電路板面積，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。而且，利用靈活的收發(fā)器時(shí)鐘體系結(jié)構(gòu)，您可以充分利用收發(fā)器所有可用資源，實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議。這個(gè)芯片同時(shí)還降低了內(nèi)核電壓是目前業(yè)界最小的低功耗FPGA收發(fā)器，這也使得成本更低，而且在反應(yīng)速度上也是遙遙領(lǐng)先的。

而且用FPGA來設(shè)計(jì)航模飛機(jī)會使飛機(jī)飛行更穩(wěn)定，反應(yīng)更迅速，使飛機(jī)能靈活的在空中進(jìn)行各種飛行操作。讓操控者更加隨心所欲，更加喜愛航模運(yùn)動。讓越來越多的人愛上航模運(yùn)動。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖一所示。本設(shè)計(jì)是由上位機(jī)采集操作員在鍵盤上的按鍵訊息，通過RS-232串口傳送到FPGA芯片中去。FPGA接收到訊號通過一個(gè)譯碼器根據(jù)按鍵的不同選擇相應(yīng)的選通信號發(fā)送給對于的模塊，如Y是加油門的按鍵，當(dāng)FPGA接受到Y(jié)被按下的信號加油門的選通信號有效，傳遞給加油門模塊，其他模塊則不工作，加油門模塊的輸出送給X9313電位器使之滑塊發(fā)生位移產(chǎn)生不同的電壓，這樣就能使飛機(jī)進(jìn)入加油門的狀態(tài)了。硬件部分是由油門的加減控制模塊、左右方向的控制模塊、左右旋轉(zhuǎn)的控制模塊、解鎖模塊等組成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1譯碼器模塊[2]

為了識別所接受的信號是哪個(gè)按鍵被按下而設(shè)計(jì)的模塊。它能快速的識別按鍵的信號然后按照所接受到的按鍵信息分別產(chǎn)生使能信號傳輸給下一個(gè)模塊使其工作。圖中SenData信號是接受的按鍵信號；clk為時(shí)鐘信號；rest_n為復(fù)位信號，a、b、c、d、e、f、g、h、m為產(chǎn)生的使能信號。原理圖1如下：

2.2 油門模塊

油門設(shè)計(jì)分為加油門模塊和減油門模塊，分別用來控制飛機(jī)的加油門和減油門。飛機(jī)進(jìn)入加油門狀態(tài)就會加速，反之就會減速。圖中iin為加法器傳送來的延時(shí)信號；bin為加法器傳送來控制輸出信號x9313Y_INC翻轉(zhuǎn)的控制信號；x9313Y_UPDN和x9313Y_CS都是輸出引腳。原理圖2如下：

2.3 前后方向控制模塊

前后控制模塊分為前控制和后控制模塊，分別用來控制飛機(jī)的前后方向。圖中iin為加法器傳送來的延時(shí)信號；bin為加法器傳送來控制輸出信號x9313Y_INC翻轉(zhuǎn)的控制信號；x9313Y_UPDN和x9313Y_CS都是輸出引腳。原理圖3如下：

2.4左右旋轉(zhuǎn)控制模塊

左右旋轉(zhuǎn)控制模塊[1]分為左旋轉(zhuǎn)控制和右旋轉(zhuǎn)控制，分別用來控制飛機(jī)的左右旋轉(zhuǎn)。圖中iin為加法器傳送來的延時(shí)信號；bin為加法器傳送來控制輸出信號x9313Y_INC翻轉(zhuǎn)的控制信號；x9313Y_UPDN和x9313Y_CS都是輸出引腳。原理圖4如下：

3 系統(tǒng)仿真

由于本系統(tǒng)模塊眾多，我們這里以加油門為例具體說明加油門是如何實(shí)現(xiàn)的。SenData信號從RS232串口傳入芯片中然后譯碼器經(jīng)過譯碼器讀取此信號再進(jìn)行分析從而得到W鍵被測試員被按下，進(jìn)而產(chǎn)生a使能信號之后傳給加法器，使加法器工作從而產(chǎn)生延時(shí)信號i[3]和控制信號b，再傳送給加油門模塊，加油門模塊接受到各種控制信號進(jìn)入工作狀態(tài)，之后加油門模塊的輸出送給X9313電位器使之滑塊發(fā)生位移產(chǎn)生不同的電壓，進(jìn)而使飛機(jī)進(jìn)入加油門狀態(tài)。

4 電路測試

為了檢驗(yàn)電路是否正確，將器件管腳設(shè)定后再全編譯一次之后將生成的可下載文件以USB形式下載到DE2-115這塊開發(fā)板上，再將輸出管腳接到X9313芯片的輸入管腳[4]，測試結(jié)果正確。

5 結(jié)語

通過上述數(shù)據(jù)可以顯示采用FPGA更加方便，效率更高，更容易仿真和測試。用FPGA設(shè)計(jì)使器件功耗更小，信號更穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)，系統(tǒng)更穩(wěn)定，升級更方便。它還可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，加入新功能，只需在FPGA芯片更改或加入一些程序就行了。FPGA技術(shù)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用正越來越受到人們的重視。

而且用FPGA來設(shè)計(jì)航模飛機(jī)會使飛機(jī)飛行更穩(wěn)定，反應(yīng)更迅速，使飛機(jī)能靈活的在空中進(jìn)行各種飛行操作。讓操控者更加隨心所欲，更加喜愛航模運(yùn)動。讓越來越多的人愛上航模運(yùn)動。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何昱. 基于無刷電機(jī)的航模系統(tǒng)的研究[D]. 武漢理工大學(xué)，2008.

[2] 史洪瑋，王紫婷，寧平，等. 基于FPGA+DSP的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 信息技術(shù)， 2010（10）.

[3] 王龍飛.基于FPGA的視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì).西安工業(yè)大學(xué)，2013（4）.

[4] 劉龍軍， 丁洪偉， 李宗敬. 基于FPGA跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2016（1）.