深度剖析關(guān)于SoPC的智能巡跡小車(chē)的設(shè)計(jì)

摘要： 本設(shè)計(jì)以SoPC套件E-Play-1c12上配置的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8為控制單元，加以直流電機(jī)、光電傳感器、超聲波傳感器和電源電路以及其他電路構(gòu)成。控制小車(chē)在尋軌區(qū)能夠沿黑線行駛，并能在相應(yīng)的區(qū)域加/減速，進(jìn)入尋光區(qū)后開(kāi)始在光源的引導(dǎo)下到達(dá)終止線停止。同時(shí)，在小車(chē)行駛過(guò)程中車(chē)首點(diǎn)陣式液晶滾動(dòng)顯示字幕，實(shí)時(shí)顯示小車(chē)行駛的時(shí)間及路程。

SoPC（System on a Programmable Chip）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。首先它是片上系統(tǒng)，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能［1］。SoPC技術(shù)是將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)（包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、存儲(chǔ)電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)等）在單一FPGA中嵌入實(shí)現(xiàn)。因此，可以使得整個(gè)設(shè)計(jì)在規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、上市周期、開(kāi)發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)及其硬件升級(jí)等多方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化［2］。從未來(lái)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)走勢(shì)上看，SoPC技術(shù)更具發(fā)展性和前瞻性，被稱(chēng)為“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的未來(lái)”［3-4］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求小車(chē)由起始端出發(fā)沿黑線行駛，在測(cè)到第一條黑線后有明顯的加速，測(cè)到第二條黑線后有明顯的減速，測(cè)到第三條黑線后開(kāi)始尋光，測(cè)到第四條黑線后停止。在行駛過(guò)程中，車(chē)首液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示小車(chē)運(yùn)行的時(shí)間和路程。下面給出兩種方案：

（1）方案1：使用8051系列的單片機(jī)芯片。8051系列的單片機(jī)芯片使用多年，在市面上應(yīng)用廣泛。各種電路也比較成熟，但其速度相對(duì)較慢，指令都是串行執(zhí)行，在增加液晶顯示等模塊后使得CPU對(duì)檢測(cè)電路的掃描變慢。

（2）方案2：使用E-Play-SoPC開(kāi)發(fā)套件上的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8。FPGA運(yùn)算速度很快，且其進(jìn)程以并列的形式執(zhí)行，即使增加更多的功能模塊（在FPGA芯片的資源范圍內(nèi)）也絲毫不影響對(duì)檢測(cè)信號(hào)的響應(yīng)速度［5］。

比較兩種方案，為使小車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行且功能更加智能化，選擇了方案2。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主要由控制核心FPGA、尋軌電路、尋光電路、測(cè)障電路、液晶顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、LED指示燈指示模塊、語(yǔ)音提示模塊和點(diǎn)陣顯示模塊組成［6］。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 尋軌電路

尋軌電路采用兩對(duì)紅外線傳感器，當(dāng)傳感器未檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外線接收管相當(dāng)于短路，比較器負(fù)向端的電位在4 V左右；當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外線接收管相當(dāng)于開(kāi)路，比較器負(fù)向端的電位在2 V左右。因此，將比較器正向端電位器的比較電位調(diào)到3 V即可實(shí)現(xiàn)對(duì)黑線的檢測(cè)。未檢測(cè)到黑線時(shí)電路輸出低電平，檢測(cè)到黑線時(shí)輸出高電平。其實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

小車(chē)采用雙輪驅(qū)動(dòng)，使用驅(qū)動(dòng)芯片L293D，其工作電壓為9 V。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，引腳1和引腳9分別是電機(jī)輸出的控制引腳，當(dāng)引腳1或引腳9為低電平時(shí)，無(wú)論引腳2、引腳7、引腳10、引腳15的輸入為何值，引腳3、引腳6、引腳11、引腳14的輸出都為低電平；當(dāng)引腳1或引腳9為高電平時(shí)，引腳3、引腳6、引腳11、引腳14輸出的電平與引腳2、引腳7、引腳10、引腳15輸入電平的高低相應(yīng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的小車(chē)中，基本運(yùn)行程序可分為黑線計(jì)數(shù)模塊、尋軌模塊、尋光模塊以及計(jì)時(shí)模塊、路程測(cè)量模塊、液晶顯示模塊、LED指示燈指示模塊等輔助功能模塊。其行駛程序流程圖如圖6所示。

（1）尋軌模塊：在黑線數(shù)為0、1、2時(shí)執(zhí)行此模塊。當(dāng)車(chē)底左端的傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，小車(chē)的左輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，右輪按原速轉(zhuǎn)動(dòng)；若右端的傳感器檢測(cè)到黑線，則反之。當(dāng)黑線數(shù)為0、2時(shí)小車(chē)為減速狀態(tài)，通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D的控制引腳輸出占空比為25%的方波信號(hào)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)黑線數(shù)為1時(shí)，小車(chē)運(yùn)行在加速狀態(tài)，此時(shí)直接電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D的控制引腳輸出高電平。

（2）尋光模塊：當(dāng)黑線數(shù)為3時(shí)運(yùn)行本模塊，當(dāng)光強(qiáng)檢測(cè)電路的檢測(cè)信號(hào)為高電平時(shí)認(rèn)為左端的光照較強(qiáng)，小車(chē)左拐，反之右拐。

（3）路程測(cè)量模塊：在小車(chē)的車(chē)輪上有黑、白相間且間距相同的扇形花紋，當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)車(chē)輪內(nèi)側(cè)的光電傳感器產(chǎn)生高低變化的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)比較器比較產(chǎn)生脈沖信號(hào)，控制芯片通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)并與標(biāo)定的數(shù)值相乘得出小車(chē)行駛的路程。

（4）LED指示燈指示模塊，車(chē)首兩端分別有3個(gè)顏色分別為紅、黃、綠的LED指示燈指示小車(chē)的速度，綠燈亮?xí)r小車(chē)行駛在高速區(qū)，黃燈亮?xí)r小車(chē)行駛在低速區(qū)，紅燈亮?xí)r小車(chē)到達(dá)終點(diǎn)停止。車(chē)前部?jī)蓚?cè)各有一個(gè)LED指示燈指示小車(chē)拐動(dòng)方向，左拐時(shí)左燈亮，右拐時(shí)右燈亮。車(chē)尾有4個(gè)LED指示燈指示小車(chē)已測(cè)黑線的數(shù)量，每測(cè)一條黑線增加一個(gè)LED指示燈亮。

4 抗干擾措施

需要對(duì)黑線檢測(cè)和障礙物檢測(cè)的信號(hào)采取抗干擾措施。具體如下：當(dāng)檢測(cè)到黑線或障礙物時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后再次檢測(cè)，若還是黑線或障礙物，則確定其為黑線或障礙物，否則認(rèn)為其為干擾不予理睬［7］。具體實(shí)現(xiàn)程序如下：

PROCESS（a，clk）

VARIABLE m1，m2 ： INTEGER RANGE 0 TO 8191;

BEGIN

IF clk=′1′ AND clk‘EVENT THEN

IF a=″00″ THEN

m2：=0;

IF m1=8190 THEN

m1：=0;

IF a=″00″ THEN

r1《=′1′;

END IF;

ELSE

m1：=m1+1;

END IF;

ELSE

m1：=0;

IF m2=8190 THEN

m2：=0;

r1《=′0′;

ELSE

m2：=m2+1;

END IF;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

5 仿真測(cè)試

仿真測(cè)試時(shí)序如圖7所示。其中，A所指示的位置為車(chē)底的兩個(gè)光電傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線，經(jīng)過(guò)去抖處理后黑線數(shù)目加1；B所指示的區(qū)域?yàn)楦咚賲^(qū)，小車(chē)高速行駛在此區(qū)域，當(dāng)車(chē)底一側(cè)的光電傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，小車(chē)相應(yīng)地調(diào)整軌跡使其沿黑線行駛；C所指示的區(qū)域?yàn)闇p速區(qū)，小車(chē)在此區(qū)域中行駛的速度較慢，約為高速區(qū)的1/4。

此區(qū)域中存在很多彎道，當(dāng)車(chē)底一側(cè)的光電傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，小車(chē)也相應(yīng)地調(diào)整軌跡沿黑線行駛；D所指示的區(qū)域?yàn)閷す鈪^(qū)，小車(chē)進(jìn)入此區(qū)域后立刻開(kāi)始尋光并朝光線較強(qiáng)的方向行駛，小車(chē)在此區(qū)域中的速度與低速區(qū)相同；E所指示的位置為終點(diǎn)，當(dāng)小車(chē)檢測(cè)到終點(diǎn)線后停止運(yùn)行。由仿真圖可知，小車(chē)在理想情況下可順利地通過(guò)高速尋軌區(qū)、低速尋軌區(qū)、尋光區(qū)，并在檢測(cè)到終點(diǎn)線后停止運(yùn)行。

FPGA的運(yùn)算速度非?？?，保證了小車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行，且其并行執(zhí)行過(guò)程讓點(diǎn)陣式液晶顯示更加方便。FPGA在程序并行控制方面充分顯示了其優(yōu)越性，并且運(yùn)行準(zhǔn)確。今后將會(huì)對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行擴(kuò)展以及更進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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