【導(dǎo)讀】基于FPGA設(shè)計(jì)控制器，可以把一些外設(shè)和邏輯器件集成起來，從而縮小。控制器功能，縮短了開發(fā)周期，也使系統(tǒng)的使用變的靈活，擴(kuò)展方便。度，滿足實(shí)時(shí)控制要求。計(jì)了一個(gè)較為通用的小車控制器。通過數(shù)字量輸入/輸出通道連接了障礙檢測模塊無線接。收模塊；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；模式選擇模塊等。采用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)。并在QuartusII開發(fā)環(huán)境下搭建了一個(gè)。通過此方法可在軟件中嵌入不同的控制。的推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　

【正文】 高電平， ZFR 輸出反轉(zhuǎn)低電平，左邊的車輪前進(jìn)，右邊的車輪后退，實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)彎。 程序編寫完成之后驗(yàn)證其是否實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，編譯之后進(jìn)行功能仿真，得到如圖 所示波形。從圖上可以看出，該模塊完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 驅(qū)動(dòng)模塊 驅(qū)動(dòng)模塊的功能 驅(qū)動(dòng)模塊是本設(shè)計(jì)的基本模塊之一，是將以上各模塊的邏輯操作轉(zhuǎn)化到實(shí)際運(yùn)動(dòng)的一個(gè)模塊。該模塊輸入上述幾個(gè)功能模塊輸出的使能、正反和速度 控制信號(hào)，再將其轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出到外圍驅(qū)動(dòng)電路中，控制小車車輪的運(yùn)行。由于本設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了速度的變化，且使用的是直流電機(jī)，需要引入 脈沖寬度調(diào)制 （ PWM）進(jìn)行調(diào)速。 脈沖寬度調(diào)制調(diào)速基本原理 脈沖寬度調(diào)制 ， 英文 是“ Pulse Width Modulation”，縮寫 PWM，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技 術(shù)。 PWM 是常用的一種調(diào)速方法，其基本原理是用改變電機(jī)接通和斷開的時(shí)間比（占空比）來控制電圖 遙控模塊圖 圖 遙控模塊仿真波形 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁 共 31 頁 機(jī)的速度，在脈寬凋速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加； 電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可調(diào)整電機(jī)的速度。在傳統(tǒng)的 PWM 調(diào)速系統(tǒng)中一般采用硬件作為脈沖發(fā)生器的方式，應(yīng)用的元器件較多，同樣會(huì)增加電路的復(fù)雜程度，隨著電子技術(shù)和大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展， PWM 采用軟件的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)速過程，具有更大的靈活性，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)軟件化 [12， 16]。 驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 以上幾個(gè)模塊向驅(qū)動(dòng)模塊輸出使能信號(hào)、正反方向信號(hào)、速度信號(hào)。速度控制是本模塊在程序結(jié)構(gòu)上區(qū)別于其他模塊的地方。分為高速擋和低速擋，將高速模式設(shè)置為將直流電直接接到直流電 機(jī)上，低速檔使用 PWM 調(diào)速脈沖驅(qū)動(dòng)。由于本設(shè)計(jì)沒有精確的速度要求，將低速檔位的速度能與高速擋位的速度區(qū)別開即可。將驅(qū)動(dòng)脈沖占空比設(shè)置為 1，即在一個(gè)計(jì)數(shù)周期之內(nèi)前半部分輸出高電平或低電平，后半部分輸出相反的電平。正反方向控制是改變電機(jī)兩驅(qū)動(dòng)端的電平實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)輸出“ 10”時(shí)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)輸出“ 01”時(shí)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。按此要求完成程序設(shè)計(jì)，編譯之后創(chuàng)建塊文件，如圖 所示。 CLK 為分頻器接入的 1000Hz 時(shí)鐘脈沖， EN 為模塊使能信號(hào)輸入端， ZF 輸入端連接的是以上模塊輸出的正反方向控制信號(hào)， SP 輸入端是以上 模塊輸入的速度控制信號(hào)。輸出端 Z 和 F 是向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送的方向控制電平信號(hào)， ENM 輸出端是直流電機(jī)的使能控制信號(hào)輸出。 使能信號(hào)為高電平時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊開始工作。 ZF 輸入為高電平時(shí)， Z 輸出高電平，F(xiàn) 輸出低電平，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)； ZF 輸入為低電平時(shí)， Z 輸出低電平， F 輸出高電平，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 SP 輸入高電平時(shí)， ENM 輸出高電平，電機(jī)接入直流電，高速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) SP輸入為低電平時(shí)，電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)數(shù)器在 CLK 時(shí)鐘脈沖上升沿的觸發(fā)下進(jìn)行 0 到 9的循環(huán)加法計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)值在 0 到 4 區(qū)間中時(shí)， ENM 輸出低電平；計(jì)數(shù)值大于 4 時(shí)，ENM 輸出 高電平。 對(duì) 程序進(jìn)行功能仿真之后得到圖 所示波形，從圖上可以看出，輸入輸出波形完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 圖 驅(qū)動(dòng)模塊圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁 共 31 頁 模式選擇模塊 由于本設(shè)計(jì)之中包含周期運(yùn)行、自主避障運(yùn)行、遙控運(yùn)行三種功能，功能之間的切換依靠三個(gè)自鎖開關(guān)進(jìn)行切換。模式選擇模塊的作用是為了防止自鎖開關(guān)的誤操作，保證當(dāng)且僅當(dāng)只有一個(gè)自鎖開關(guān)使接通狀態(tài)時(shí)向?qū)?yīng)模塊輸出使能信號(hào)。程序設(shè)計(jì)完成，編譯之后創(chuàng)建塊文件，如圖 所示。 EN_CYCLE、 EN_AVOID、 EN_TELECON 分別對(duì)應(yīng)三個(gè)自鎖開關(guān)，當(dāng)其中只有一個(gè)輸入低電平時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出端 向?qū)?yīng)能塊輸出高電平使能信號(hào)。其功能仿真波形如圖 所示。 圖 驅(qū)動(dòng)模塊仿真波形 圖 模式選擇模塊圖 圖 模式選擇模塊仿真波形 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁 共 31 頁 頂層圖設(shè)計(jì) 以上各個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)完成之后需要建立一個(gè)頂層原理圖文件，將以上模塊綜合起來，并按照邏輯功能連接模塊之間的接線。這些工作完成之后就得到圖 所示的頂層圖文件。 分頻器模塊 divider 的 CLK_IN 接入 50MHz 的晶振脈沖， CLK_OUT1K 接到除周期運(yùn)行控制模塊和模式選擇模塊的所有功能塊中。模式選擇模塊 mode_switch 接入三路自鎖開關(guān)電平信號(hào)，輸出使能端分別接到對(duì)應(yīng)功能模塊。避障模塊 avoid_control 接 入三路傳感器信號(hào)，各輸出端分別接到驅(qū)動(dòng)模塊的相應(yīng)輸入端。遙控模塊 telecontrol 從外部輸入四位并行控制信號(hào)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)與對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)模塊接口連接。周期運(yùn)行控制模塊只需要接入計(jì)數(shù)脈沖和使能信號(hào)，就能向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送相應(yīng)的輸出信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)模塊 PWM 在圖中有兩個(gè)，這是因?yàn)樾≤囆枰獌蓚€(gè)車輪兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊只能驅(qū)動(dòng)其中一個(gè)。避障功能和遙控功能需要轉(zhuǎn)彎，所以避障模塊和遙控模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別向左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送。周期運(yùn)行功能需要只需要直行，所以其驅(qū)動(dòng)信號(hào)不分左右電機(jī)。速度控制信號(hào)都需要同步，所以也同時(shí)接到兩 個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊中。驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)來源過多，為防止重復(fù)賦值，在其中加入三輸入或門（各功能塊在未使能的情況下驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出全部為低電平），之后經(jīng)處理的信號(hào)在輸入到驅(qū)動(dòng)模塊。兩驅(qū)動(dòng)模塊分別向左右兩直流電機(jī)輸出使能和控制信號(hào)。 該程序運(yùn)行周期過長，而 Quartus II 軟件提供的仿真環(huán)境不適合長時(shí)間的功能仿真，故在此不進(jìn)行全局仿真。 圖 小車控制器程序 頂層圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁 共 31 頁 4 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)的目的完成軟件程序設(shè)計(jì)功能的硬件載體。包括 FPGA 芯片選取，電源模塊設(shè)計(jì)，模式選擇開關(guān)電路的設(shè)計(jì)，輸入信號(hào)采集的光電傳感器障礙檢測電路、無線信號(hào)接收電路和輸出信號(hào)控制的 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)。 FPGA 核心板的選取 綜合性能、成本等方面考慮，本設(shè)計(jì)采用 EP2C5T144 核心開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)。本開發(fā)板采用的主芯片 FPGA 型號(hào)為 Altera 公司 Cyclone II 系列的 EP2C5T144C8，等效門數(shù)為 23 萬門。開發(fā)板電源采用 5V 直流電，通過板上完善的電源系統(tǒng)，為 FPGA 等元件提供所需的各種電壓，并可向外輸出 5V、 、 的電壓。板上配有 EPCS4 配置芯片， JTAG 和 AS 兩種下載端口， 50MHz 有源晶振。設(shè)有 3 個(gè) LED 發(fā)光二極管，用作簡單輸出。 FPGA 芯片 的所有引腳均通過 標(biāo)準(zhǔn)排針引出，如圖 所示 [13]。 圖 EP2C5T144 芯片 管 腳圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁 共 31 頁 EP2C5T144 核心 板支持 JTAG 和 AS 兩種下載模式。 JTAG 模式將 編譯后生成的 sof文件下載到芯片中的 SRAM 里，掉電后數(shù)據(jù)丟失，上電后需要重新下載，因此該下載模式適合程序開發(fā)時(shí)使用。 AS 模式把編譯后生成的 pof 文件下載到板載的配置芯片EPCS4 中，掉電后能夠保存數(shù)據(jù)，上電后芯片自動(dòng)讀取。 EPCS4 配置芯片（如圖 所示）具有 4Mbits 的 Flash 存儲(chǔ)空間，由于擦寫次數(shù)有限，一般在程序設(shè)計(jì)完成之后寫入。 JTAG 是英語 Joint Test Action Group 的縮寫，即聯(lián)合測試實(shí)現(xiàn)組，是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議（ IEEE 兼容），主要用于芯片的內(nèi)部測試。現(xiàn)在許多的高級(jí)器件都支持 JTAG 協(xié)議，如 DSP、 FPGA 器件等。 FPGA 開發(fā)板上的 JTAG 接口是程序在開發(fā)測試階段經(jīng)常用到的下載接口，使用 USB Blaster 通過此接口下載被稱作是 JTAG 下載模式，通過 JTAG 模式一般將程序下載到 SRAM 中，在需要時(shí)也可以通過比較復(fù)雜的轉(zhuǎn)換將程序下載到 EPCS4 存儲(chǔ)芯片中。圖 所示為 JTAG 接口原理， TMS、 TCK、 TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。 芯片最多能夠接入 7 路時(shí)鐘脈沖，板載晶振 50MHz 時(shí)鐘脈沖直接接入 PIN17 引腳，使用時(shí)直接鎖定該引腳即可。其原理如圖 所示。 圖 板載晶振原理圖 圖 板載 配置芯片 EPCS4 原理圖 圖 JTAG 接口原理圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁 共 31 頁 開發(fā)板上有三個(gè) LED 指示燈 D D D5，分別對(duì)應(yīng) PIN PIN PIN9 管腳 ，輸出高電平或者輸入低電平時(shí)點(diǎn)亮，可以作為模式選擇的指示燈。其原理如圖 所示。 EP2C5T144C8 型 FPGA 核心板實(shí)物如圖 所示。 檢測電路 檢測電路包括 3 個(gè)光電傳感器進(jìn)行障礙檢測，和一個(gè)以 LM339 四電壓比較器為核心的 中控電路。 本設(shè)計(jì)選用的光電傳感器是 NPN 型光電開關(guān)。外接 3 條引線，分別是電源、接地、信號(hào)輸出。正常狀態(tài)下發(fā)射端發(fā)出紅外信號(hào)，接收端沒有接到發(fā)射回來的紅外信號(hào)，此時(shí)感應(yīng)信號(hào)輸出高電平。當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，發(fā)射端發(fā)出的紅外信號(hào)經(jīng)障礙物反射，接收端接收到紅外信號(hào)，此時(shí)感應(yīng)信號(hào)輸出低電平。光電傳感器有效探測距離 3 至 80cm可調(diào)，本次設(shè)計(jì)通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器將探測距離設(shè)置為 30cm。 中控板以 LM339 為核心，對(duì)傳感器集中供電，并接收傳感器的反饋信號(hào)，經(jīng)處理輸出到 FPGA 芯片。 LM339 內(nèi)部包括有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，在很寬的電源電壓范圍內(nèi)適用于雙電源工作模式，也適用于單電源工作模式。在方波發(fā)生器、時(shí)間延時(shí)器、脈沖發(fā)生器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等廣泛應(yīng)用。光電傳感器信號(hào)輸入到 LM339 中經(jīng)電壓比較器圖 EP2C5T144C8 型 FPGA 核心板 圖 板載 LED 指示燈 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁 共 31 頁 處理之后，向 FPGA 芯片輸入端發(fā)送數(shù)字信號(hào)。當(dāng)傳感器未檢測到障礙時(shí)，中控電路對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管常亮，向芯片發(fā)送低電平；當(dāng)檢測到障礙時(shí)，對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管熄滅，向芯片發(fā)送高電平。一路光電傳感器和原理如圖 所示。將三路信號(hào)輸出端接入 FPGA芯片，作為避障模塊的輸入。 圖 和圖 所 示為光電傳感器和中控板實(shí)物。 遙控接收電路 遙控接收電路采用 SC2272M4 解碼電路，又名 5V 高頻超再生四路解碼接收模塊 。工作電壓為 DC5V；靜態(tài)電流為 ；調(diào)幅調(diào)制；接收靈敏度為 105dB；工作頻率315~；編碼方式是焊盤編碼（固定碼）；工作方式為點(diǎn)動(dòng)，按住不放輸出，放開停止輸出。超再生接收模塊采用 LC 振蕩電路，內(nèi)含放大整形，輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)為解碼后的高電平信號(hào)，使用極為方便，并且價(jià)格低廉，所以被廣泛使用。遙控接收電路原理如圖 所示， VT 是無線接收狀態(tài)輸出端， D3 至 D1 是四位并行信號(hào)輸出 [17]。 圖 一路光電傳感器與電壓比較器原理圖 圖 光電傳感器 圖 感應(yīng) 電路 中控板 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁 共 31 頁 圖 和圖 所示為無線信號(hào)收發(fā)模塊。 驅(qū)動(dòng)電路 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法是 H 橋驅(qū)動(dòng)，電路得名 “ H 橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗嗡谱帜窰。圖 中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。如圖所示， H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括 4 個(gè)三極管和一個(gè)直流電機(jī)。要使得直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管，形成電勢差。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從兩條線路流過直流電機(jī)。左上方至右下方流過直流電機(jī)或從右上至左下流過直流電機(jī)。通過電流不 同的流向控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。例如，當(dāng)三極管 Q1 和三極管 Q4 導(dǎo)通，這時(shí)電流就從電源正極經(jīng)Q1 從左上方至右下方穿過直流電機(jī)，然后從 Q4 發(fā)射極重新流回到電源的負(fù)極。該流向的電流將會(huì)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)另一對(duì)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通時(shí)，電流將從右上至左下流過直流電機(jī)，電流將從右至左流過直流電機(jī)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) [13， 18]。 圖 SC2272 無線接收模塊 原理圖 圖 SC2272 無線信號(hào)接收模塊 圖 無線 信號(hào) 發(fā)送 模塊 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁 共 31 頁 然而在實(shí)際使用的時(shí)候，用分立元件制作 H 橋是很麻煩的，好在現(xiàn)在市面上有很多封裝好的 H 橋集成電路，接上電源、電機(jī)和控制信號(hào)就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠 。比如常用的 L293D、 L298N、 ULN2020 等。 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及驅(qū)動(dòng)電路 L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用 15 腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，持續(xù)工作電流為 2A；額定功率 25W。內(nèi)含兩個(gè)由四個(gè)大功率晶體管組成的 H 橋電路構(gòu)成的 H 橋高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器（如圖 所示），可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入 信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用