FPGA智能小车设计

天水师范学院《基于EDA的小车控制器的设计》实践报告学院：物理与信息科学学院专业：电子信息科学与技术班级：11级电信二班姓名：尹天林倪波波学号：20111060235201110602192013年12月30日目录摘要................................................................................11引言.............................................................................11.1选题背景......................................................................11.1.1智能小车简介..............................................................11.1.2FPGA在控制方面的应用..................................................21.2本课题研究目的及意义.....................................................31.2.1研究目的...................................................................31.2.2研究意义...................................................................32总体方案说明...................................................................32.1设计目标......................................................................32.2方案概述......................................................................43软件设计........................................................................53.1VHDL语言介绍...............................................................53.2QuartusII软件介绍..........................................................63.3分频器模块...................................................................73.3.1分频器的功能..............................................................73.3.2分频器的设计..............................................................73.4周期运行控制模块...........................................................83.4.1周期运行控制模块实现的功能...........................................83.4.2状态机简介.................................................................83.4.3周期运行控制模块的设计................................................93.5避障模块....................................................................103.5.1避障模块实现的的功能..................................................103.5.2避障模块的设计.........................................................113.6遥控模块....................................................................123.6.1遥控模块的功能.........................................................123.6.2遥控模块的设计.........................................................123.7循迹模块....................................................................123.8驱动模块....................................................................143.8.1驱动模块的功能.........................................................143.8.2脉冲宽度调制调速基本原理............................................153.8.3驱动模块的设计..........................................................153.9模式选择模块...............................................................163.10顶层图设计................................................................164硬件设计......................................................................174.2检测电路....................................................................184.3遥控接收电路..............................................................194.4驱动电路....................................................................204.4.1直流电机驱动原理......................................................204.4.2L298N电机驱动芯片及驱动电路.......................................214.5模式选择电路..............................................................225设计结果......................................................................225.1硬件组装....................................................................225.2软硬件联合测试............................................................235.2.1测试准备.................................................................236总结与展望...................................................................24附录A............................................................................27摘要：现场可编程逻辑阵列（FPGA）具有可在线反复编程，开发周期短，并行处理，运算速度快，集成度高，可靠性高等特点，广泛应用于数字信号处理，工业控制，通信等各个领域。基于FPGA设计控制器，可以把一些外设和逻辑器件集成起来，从而缩小体积，减少电路的走线，降低功耗，提高可靠性，同时能够通过在线编程来修改和扩充控制器功能，缩短了开发周期，也使系统的使用变的灵活，扩展方便。由于FPGA可以实现真正的并行处理，并且运算速度快，用它实现复杂的控制算法可以提高算法运算速度，满足实时控制要求。本设计是典型的软件和硬件结合的设计产品，基于EPM570T100C5型FPGA芯片设计了一个较为通用的小车控制器。通过数字量输入/输出通道连接了障碍检测模块无线接收模块；电机驱动模块；模式选择模块等。采用硬件描述语言（VerilogHDL）实现了对各个功能模块的编程、仿真、编程下载、功能测试。并在QuartusII开发环境下搭建了一个基于FPGA的小车控制器研究平台，用VerilogHDL语言实现了整个系统的设计和仿真，使小车控制器系统实现了周期运行、避障、循迹、遥控等功能。通过此方法可在软件中嵌入不同的控制算法，扩展多种控制性能，实现各种硬件功能，这种基于FPGA的电子设计的开发方法可根据需要随时增加扩展用户需要的功能，具有很大的开发潜力，在工业控制中有一定的推广应用价值。1引言1.1选题背景1.1.1智能小车简介工业的发展对生产的自动化程度和产品精度要求越来越高，传统的人工很难适应产业升级带来的挑战；科技的进步使得人类的探索范围越来越大，亟需一种能够在恶劣的环境替代人类完成任务的智能装置。智能机器人控制系统应运而生。工业机器人和探测机器人的发展成为了当下机器人发展的主要方向，智能小车是机器人的一种，又称轮式机器人，在工业和探测两个领域均有广泛应用。智能小车控制器的设计具有极强的可移植性和易扩展性，可应用于替代一些单调枯燥简单重复的岗位。同时，配合传感器等数据采集装置，小车可以作为一个独立运动单元自主执行一些要求更高的任务。在军事上，现代战争的复杂程度越来越高，需要在复杂恶劣的环境中完成各种侦察或作战任务，增加了作战人员的危险性；在工业、民用、社会公共设施等诸多领域上，比如在恶劣环境下进行的科学研究、在危险地段作业、危险品排除等诸多场合需要人们冒着巨大的风险；在影视剧拍摄、家庭服务、智能化家居、康复医疗等多种应用领域，为了确保工作人员的安全性，提高舒适性，都急需一种能够替代人完成这些任务的机器人。智能小车控制系统为人类突破这些限制提供了条件。这种智能小车可以适应不同环境，不受温度、大气、重力、强辐射等外界条件的影响，在人类不适宜的工作环境或者技术含量较低的高强度任务中有效地替代人类完成工作，提高效率。从机器人诞生至今，随着科学技术的不断发展，机器人应用已经从制造领域向非制造领域发展，原先只是在航空军事领域中才使用的机器人也开始走进人们的日常生活。机器人的发展经历了三代，第一代机器人属于示教再现型，第二代则具备了一定的环境感知能力，第三代机器人是智能型机器人，它除了具有感觉能力之外，还具备独立辨别和自主运动能力。它上面装有多种环境感应设备，是人工智能技术发展到高级阶段的产物。随着计算机、网络、微电子等领域迅速发展，人类活动领域的不断扩大，智能小车的应用领域也不断扩大，有了客观的发展理由：a.智能小车系统可以把人从有毒有