基于FPGA的智能玩具設計

郭崢+劉麗君

摘 要：隨著現(xiàn)代科學技術的不斷進步，F(xiàn)PGA也得到加快發(fā)展，自可變成邏輯芯片逐漸升級為可編程系統(tǒng)級芯片，在電路中所發(fā)揮的功能也更為豐富，包括數(shù)字信號處理、高密度預算等，應用范圍也擴展到消費電子、汽車電子以及工業(yè)控制等多個方面。本文基于FPGA的智能小車設計，對于電子玩具的深入研究具有重要意義。

關鍵詞：FPGA；智能小車；設計

本文主要基于FPGA設計一種智能玩具，系統(tǒng)主要通過PWM波實現(xiàn)對智能小車行駛速度進行控制，以紅外線傳感器對路面上的黑色軌跡進行檢測，將檢測信號反饋給控制芯片F(xiàn)PGA，F(xiàn)PGA發(fā)出指令并對小車電機驅(qū)動電路進行合理控制，調(diào)整智能小車的行駛方向，從而通過對超聲波模塊的合理利用，對前方障礙物進行檢測，并確保智能小車沿著黑色軌跡保持自動行駛狀態(tài)，促進小車避障循跡功能的順利實現(xiàn)。

1 智能玩具小車的系統(tǒng)設計

本文主要目標是基于FPGA設計智能玩具小車，優(yōu)化智能玩具小車的控制系統(tǒng)，以確保器自動循跡自動避障功能的實現(xiàn)。本設計中以常見電機模型作為主要機械平臺，基于設計目標對設計要求進行細化的基礎上，對傳感器技術和電機控制技術進行優(yōu)化利用，促進智能玩具小車各項功能的順利實現(xiàn)。待設計完成后，將硬件模塊與軟件設計進行組合，促進多功能智能玩具小車的形成，確保智能小車的前進倒退、轉(zhuǎn)向行駛以及自動循跡避障等功能的實現(xiàn)，真正實現(xiàn)智能化控制。其中硬件模塊主要由紅外線自動循跡以及超聲波自動避障所組成。

就智能玩具小車的總體設計來看，其主要由傳感器信號處理模塊、電機驅(qū)動模塊以及控制模塊所組成，智能小車自主運動功能的實現(xiàn)，主要依靠傳感系統(tǒng)與電機驅(qū)動電路之間的協(xié)調(diào)配合得以實現(xiàn)。其中，系統(tǒng)模塊FPGA芯片中自動循跡避障功能的順利實現(xiàn)，以Verilog HDL語言描述為依托，并于LED屏上準確顯示出障礙物距離，從而保證基于FPGA的智能玩具小車設計的合理性和有效性。

該系統(tǒng)主要基于數(shù)個紅外對射傳感器作用于FPGA芯片中，從而促進智能玩具小車自行躲避障礙物功能的順利實現(xiàn)。超聲波測距原理主要采用渡越時間法來測定聲源與障礙物之間的距離。智能玩具小車運行過程中的前進、后退、左右轉(zhuǎn)等運行方式的實現(xiàn)，是基于GPIO驅(qū)動來實現(xiàn)的，將控制信號自端口輸出后，基于FPGA所輸出的PWM信號來對智能玩具小車進行科學化控制。電機控制中主要以PWM脈沖寬度調(diào)制方式實現(xiàn)玩具小車前進速度的控制，以PWM信號送入驅(qū)動芯片的控制端實現(xiàn)玩具小車行駛速度的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)智能化操作。本文基于FPGA的智能玩具小車設計系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 光電檢測電路設計

基于紅外光電傳感器的基礎上所設計的光電傳感器模塊具有一定特殊性，基于高發(fā)射功率下，紅外光二極管和高靈敏度光電晶體管組成傳感器，經(jīng)過施密特電路整形處理的輸出信號具有高度穩(wěn)定性和可靠性。在光電檢測電路中，傳感器的紅外發(fā)射二極管將紅外線發(fā)射出來，若紅外線未被反射回來或所反射強度不大，則光敏三極管處于關斷狀態(tài)，模塊輸出端處于低電平狀態(tài)，指示二極管處于熄滅狀態(tài)，此為第一種情況。若被測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)，紅外線被反射的強度較大，光敏三極管處于飽和狀態(tài)，模塊輸出端為高電平，指示二極管處于點亮狀態(tài)，此為第二種情況。該智能玩具小車系統(tǒng)中，光電檢測電路設計中所使用的反射式光電傳感器種類豐富，價格低廉，質(zhì)量可靠且便于使用，基于所接收信號的變化情況能夠?qū)z測物體狀態(tài)的具體變化情況進行合理判斷，圖2為傳感器模塊電路原理圖。

當小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中光敏三極管將導通，比較器輸出為低電平；當小車行駛到黑色引導線時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到控制模塊的I/O口，當I/O口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導線吸收了，表明小車處在黑色的引導線上；同理，當I/O口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。

回滯比較器LM324在系統(tǒng)中起到抗干擾的作用，LM324為四運放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個運算放大器，有相位補償電路。電路功耗很小，工作電壓范圍寬，可用正電源3～30V，或正負雙電源±1.5～±15V工作。在黑線檢測電路中用來確定紅外接收信號電平的高低，以電平高低判定黑線有無。在電路中，LM324的一個輸入端需接滑動變阻器，通過改變滑動變阻器的阻值來提供合適的比較電壓。

2.2 超聲波傳感模塊

基于FPGA的智能玩具小車設計中，超聲波傳感器發(fā)生器測距的實現(xiàn)，主要是通過發(fā)射器所發(fā)射的超聲波信號倍物體反射后被接收頭所接受，由于接收頭具有一定壓電效應，能夠在接受信號后產(chǎn)生mv級的微弱電壓信號，從而借助于超聲脈沖回波渡越時間來實現(xiàn)準確測決。超聲波測距原理如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)采用PWM來調(diào)節(jié)直流電機的速度，通過Verilog HDL語言編程實現(xiàn)FPGA的邏輯門控制。小車進入循跡模式后開始不停地掃描與紅外探測器連接的單片I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號變化，就執(zhí)行相應的判斷程序，把相應的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的運行狀態(tài)。智能玩具小車循跡避障流程圖分別如圖4、圖5所示。

5 結(jié)論

本文基于FPGA所設計的智能小車是一種智能化電子玩具，以紅外傳感器作為循跡模塊，并通過FPGA芯片對智能小車實現(xiàn)科學化控制。該智能玩具小車設計中主要對單元模塊化的電路加以應用，系統(tǒng)的簡潔化與智能化程度較高，性能優(yōu)良，通過測試可知，該智能玩具小車能夠?qū)崿F(xiàn)避障循跡，響應速度較快。

參考文獻

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