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基于FPGA的室内智能吸尘平台设计

作者:时间:2013-04-24来源:网络

智能环境清洁器由于可代替人进行环境清洁工作,已日渐成为人们研究的焦点。虽然它们实现了智能,但大多结构复杂、集成度高,不利于开发者拓展其功能。在研究并总结市场上相对成熟产品的基础上,本文基于可编程性强的设计并实现了应用于室内的智能吸尘平台。平台具备自我导航、能清洁大部分空间,同时外形紧凑、运行稳定、噪音小。更重要的是其结构简单,具有人性化接口,便于操作和功能的进一步开发。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/189625.htm

1 平台总构成

本文提出的平台整体框架设计如图1所示,用装有四个轮子的小车作为整个平台的载体。以控制器作为整个平台的主控器,通过I/O与光电传感器jk1、jk2、jk3、jk4及碰撞开关jk5相连,实现平台障碍的检测;通过I/O输出PWM波形,驱动扬声器和高低电平的变化以驱动LED的亮灭,组成声光电路;通过控制电机驱动器的信号控制线来驱动步进电机dj1、dj2和直流吸尘电机dj3,实现平台的移动和吸尘。

基于FPGA的室内智能吸尘平台设计

2 硬件主体设计

系统主要由主控芯片、光电传感器、碰撞开关、由2个STC89C52单片机控制的无线遥控发射模块、两种模式选择芯片、声光电路、驱动电机、吸尘器电机和整个系统的供电电路组成,如图2所示。

基于FPGA的室内智能吸尘平台设计

2.1 FPGA芯片的选择

根据平台的总体设计,可以得出对芯片的基本要求:(1)需要最少6路PWM波形输出。(2)需要一路串行通信接口。(3)需要较高的12 V转化为3.3 V的实时芯片。(4)较高的处理速度。(5)I/O接口要多。

综合考虑这些条件,采用Altera公司生产的CycloneII系列FPGA中的EP2C35F672C6型号基本可满足要求。它具有出色的运算速度,成本低且带有DSP模块,具有超大的内部存储器、多通道PWM输出以及灵活的设计和多种语言的综合运用,性价比较高[1,2]。

2.2 配置电路设计要点[3-6]

(1)电源电路:供电系统采用12 V电源作为输入电源,利用L7805CV将其降压为5 V,再由TPS37HD301将5 V转化为3.3 V和1.2 V,FPGA的I/O端口供电点压为3.3 V,内核供电电压为1.2 V。因为电机驱动系统是用控制器的5 V信号,而FPGA的端口电压是3.3 V,必须将I/O电压升压到5 V,在这里利用的是74HCT245升压芯片。

(2)时钟和复位电路:时钟电路中用ZPB-26-16 M作为有源晶振,频率为16 MHz,使得串口波特率更加精确。同时可支持芯片内部的PPL功能及ISP下载功能。复位电路采取硬件复位和软件复位。

(3)调试JTAG和下载电路:因为FPGA内部可以直接搭建软核ISP和JTAG,硬件电路接一个IDC-10的JTAG接口。

(4)配置存储电路:选用EPCS16作为FPGA的ROM,可以由下载电缆或其他设备进行重复编程,也可以通过AS接口进行在线系统编程。用FPGA芯片内部自带的4 MHz的On-Chip memory作为FPGA的RAM。

(5)传感器和碰撞开关:光电传感器(光电开关)选用沪工集团的E3F-DS5C4.P1R型号的光电开关,用于检测障碍和楼梯,此型号是圆柱型扩散式最远距离5 cm、可调NPN型常开光电开关。碰撞开关主要与前传感器配合完成对平台前的保护。当平台碰到前方障碍时,触发开关,使平台躲开障碍物。

(6)无线发送与接收模块:选用汇睿微通XL02-232AP1型号无线模块,XL02-232AP1是UART接口半双工无线传输模块,可以工作在433 MHz公用频段,满足无线管制要求。

(7)驱动和吸尘电机:平台采用前轮双驱动,电机选择深圳步科公司生产的两相混合式步进电机,吸尘器电机采用直流电机。步进电机的主要电器参数为:①步距角:1.8°;②相电流:0.87 A;③保持扭矩:0.24 nm;④相电阻:3.3 Ω;⑤相电感:5.0 mH;⑥重量:0.2 kg。

(8)声光电路和自动清扫时间输入显示电路:声光电路主要由发光二极管和蜂鸣器组成,直接连FPGA,提醒平台工作状态。利用4个按键(确定、初始、上调、下调)输入清扫时间,再由三个数码管显示设定时间。清扫时间由FPGA内部的定时器计时,当计时完成时,平台即停止工作。

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关键词: FPGA 平台设计

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