基于FPGA的智能运动系统设计
方案。
关键词：FPGA；传感器；智能小车；无线传输
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）11-0172-02
智能运动系统属于智能机器人的一种，它具有集成度高，操作简单，低功耗等特点，通过特定的设计，可以使该系统完成特定的功能。目前，关于智能运动系统的研究越来越被人们关注，在太空探测，军事侦察，深海探矿等领域国内外展开了广泛的研究[1]。
国外在智能运动系统方面的研究起步较早，最初是应用于军事领域，后来发展到太空探测、无人驾驶等方面，目前智能小车技术在国外比较成熟。国内在运动系统方面的研究起步较晚，发展较为缓慢，相比而言在水下作业等方面取得了不错的成果。但是与国外相比还有很大差距，而且关于民用的研究还有所不足，查阅相关资料发现目前国内的研究大多是利用单片机设计的运动系统[2][3]，对于无线传输部分采用蓝牙[4]的方式居多。本设计在对比其他方案的基础上，设计在FPGA核心板上利用WIFI传输数据，以FPGA作为控制核心设计一款便于使用、升级和维护的智能运动系统，与其它方案相比具有传输稳定，升级维护简单，便于功能的扩展等优势。
1 系统总体设计
本设计以Xilinx公司的Spartan6系列的XC6SLX9芯片为核心作为控制芯片， 以智能小车作为运动系统主体结构来设计的，通过手机、平板等移动设备或PC端作为控制终端，经过WIFI传输指令来控制的小车的运行，同时搭载红外传感器与超声测距模块实现寻迹、测距、避障，小车在运行过程中通过摄像头采集画面，由WIFI信道传递到控制端，控制端接受到画面显示在终端设备上，操作人员可以根据小车返回的画面控制小车的行动方向速度等。系统总体主要包括FPGA核心，电源模块，电机驱动模块，传感器模块，视频采集模块，wifi传输模块以及控制和显示模块。
2 系统硬件设计
2.1 电源部分
运动系统采用可充电电池作为供电电源，为整个系统供能，电池置于车底。选取LM2596芯片为电源稳压芯片，该芯片具有发热小、性能好、价格便宜等特点，支持3A驱动输出。
2.2 动力部分
本系统配有两路电机以及电机驱动，左右各一路。选取L298芯片作为电机驱动芯片，内置双路全桥驱动电路，驱动电流为2A，可以同时驱动两路直流电机或者步进电机，与进口芯片相比，该芯片价格便宜，但性能上与进口芯片相比稍显不足。电机控制采用FPGA输出的PWM脉冲来控制车速，并通过控制左右电机的速度来实现转向。
2.3 传感器部分
本系统主要搭载了红外壁障传感器和接超声波模块。其中红外避障传感器通过NPN三极管输出高低电平信号，无反射（黑线）/无障碍的情况下，默认输出高电平，有反射（非黑线）/有障碍时输出低电平。通过检测对应IO口的高低电平状态来判断是否循着黑线/遇到障碍物，然后可以进行相应的操作。超声波模块有一对圆筒状的声波信号收发装置，其中一个是发射声波，一个是接收声波。超声波在遇到障碍区时就会反射回来，我们通过计算从声波发射到接收的时间就可以算出其本身到障碍物的距离，声波传输速度为，声波传输时间为，那么计算距离为：
式中声波在空气中传播的速度為340m/s，由此计算可以得到距离。
2.4 视频采集部分
通过摄像头采集视频图像，将采集到的画面传递给控制端，通过舵机来控制摄像头的角度和方向。舵机是一种位置伺服的驱动器，主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。舵机的工作原理是由FPGA发出信号给舵机，其内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回信号，判断是否已经到达预订位置，一般舵机旋转的角度范围是0度到180度。
2.5 无线传输部分
无线传输部分采用MTK7620N芯片，高度集成了2.4GHz、2T2R的双天线WLAN。该模块预置open wrt固件，适配各系列驱动板，实现视频传输及指令双向传输功能。WiFi信号传输符合国际标准的802.11 b/g/n协议，采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK 和 QAM基带调制技术，能自适应路由器等设备的无线热点。支持 MIMO技术，最大连接速率可达 300Mbps。在FPGA主板搭载了一颗CH340G的USB转TTL串口芯片，通过无线传输部分的Micro usb接口与FPGA主板相连，同时实现供电和串口通信。通信系统中，FPGA的RX（接收）连接CH340的TX（发送），FPGA的TX（发送）连接CH340的RX（接收）。
3 系统程序设计及调试
3.1 程序设计
文章中的FPGA程序在ISE14.4的开发环境中进行开发与调试，采用Verilog语言编写程序，Verilog HDL是一种硬件描述语言，适用于从算法级、RTL级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。采用自顶向下的设计方法，分别编写了电初始化模块、led灯显示模块、串口收发模块、串口数据解析模块、红外传感器模块和超声波模块。通过顶层调用实例化形成整个系统。
3.2 系统调试
对整个系统进行调试测试：
（1）打開电源测试各个模块是否工作正常，查看控制端的视频显示情况。（2）通过控制端测试小车的运动情况，包括前进、后退、停止、转向、加速、减速等。（3）控制摄像头的转向，实现各个角度的画面拍摄。（4）通过传感器实现寻迹避障测距等功能。
经过多次调试，实现了上述功能。
4 结语
本设计以FPGA为核心，结合外围电路与各功能模块，构成了高度集成化的智能运动系统，该系统实现了画面采集传输，可视化的移动控制，并且实现了智能寻迹、避障、测距等功能。可以实现环境勘测，实时移动监控，以及在恶劣环境下工作的任务。本设计同时为智能运动系统的发展提供了一种思路。
参考文献
[1]刘曦恺.智能机器人的研究现状及其发展趋势研究[J].科技风，2015，（18）：14-14.
[2]杜云，魏雅.基于单片机的智能小车设计制作与应用[J].自动化与仪器仪表，2016，（1）：67-68.
[3]郗海东，许江淳，李玉惠，王晴. 基于单片机的自主移动智能小车系统的设计[J].工业仪表与自动化装置，2014，（03）：72-75.
[4]魏雅.基于蓝牙控制的循迹智能小车的设计与研究[J].自动化与仪器仪表，2016，（4）：88-89.
Abstract：Intelligent motion system is a highly integrated intelligent robot. This paper designs an intelligent motion system based on FPGA. First， the paper introduces the overall design of the system. Then， the hardware structure of the system is designed， which mainly includes the power part， the driver part， the sensor part， the video acquisition part and the wireless transmission part. Then， on this basis， the program design， simulation and debugging. Finally， through the test， the formation of the intelligent motion system complete solution
Key Words：FPGA；Sensor；intelligent system；wireless transmission