使用FPGA的自行车辅助系统

步骤1：硬件和材料

该项目分为3个主要小节：机械部分（“我们需要什么？”），电气部分（“我们如何捆绑东西？”）和软件部分（“我们如何使其工作？”）。

那么，我们需要什么？

用于机械部分的材料： （图1 ）

-一个塑料盒

-金属支架

-外部电源

-电缆扎带

-1个铁钉子

-易于弯曲的金属线

-较轻

-钳子

-铝箔

-金属支架

-粗针

-小号L型金属支架（应接近声纳传感器的大小）

-和一辆自行车（显然= D）

电气部件的材料和硬件：（ 。2和3 ）

-Basys3开发板

-3 X Pmod MAXSONAR

-Pmod NAV

-Pmod BT2

-Pmod GPS

-3 X伺服电机

-2个LEDs

-2个电阻

-2个按钮

-固定输出线性稳压器（LM7805）

-电池9 V

-9V电池连接器

-引脚

-焊接板（我们的尺寸约为95 x 47 mm，然后将其切成小块）

-电线

-便携式智能手机电池充电器

软件部分：

-Vivado Design Suite WebPACK（我们使用的是2016.4版本）

-Android Studio

步骤2：组装物理组件

现在可以在自行车上组装组件了！

任务1：在自行车上建立盒子并将其安装

我们将塑料支架绑在自行车的后部。此步骤特定于一个人拥有的自行车的类型；如果您有一个自行车行李架，则可以简化此操作（实际上，如果有，则只需跳过第一步，然后转到第二步-不幸的是我们没有一个，所以我们不得不即兴创作）。

1。从后轮在保护翼上开4个孔，它们之间的距离分别为11厘米和2.5厘米。我们用铁钉子和锤子打孔。铁钉的直径应足够大，以使电线穿过孔。我们必须用一块木头支撑它，以防止后轮被钉子刺穿。

2。在塑料盒中的四个长孔中，在长11厘米，宽2.5厘米的矩形的角处，以塑料盒为中心（图4 ）。我们通过加热一小部分金属丝的尖端并刺穿塑料来制成孔。

3。将盒子装到自行车上。我们使用金属丝，方法是从末端上下颠倒插入，然后将金属丝绑在中间以固定支架，并防止其移动。金属线应更长一些，因为稍后将用于将板固定在盒子中。

等一下！结果可以在图中看到。 5 ：）

任务2：构建对声纳Pmod的支持

因为我们无法直接在声纳上修复声纳Pmod伺服，我们为其创建了一个支撑，该支撑将安装在伺服电机的头部。同样，如果您要根据所使用的伺服器的类型以不同的方式执行此步骤，则可以自由操作，尽管我们仍将描述如何以这种方式执行此操作：

1。我们使用加热的针尖在伺服器的十字旋转头上钻了更大的孔。针应足够粗，以使您的线材穿过针孔。

2。用金属线将金属支架连接到伺服器的塑料轮上。

3。使用两个束线带将声纳传感器固定在支架上，如图图6 所示。

任务3：将伺服器，声纳和支架安装在盒

我们用胶带和回形针将舵机固定在盒上。我们还在特定位置切割了盒子，以使组件合适，并且伺服器可以旋转。通过在塑料盒上打孔（黄色）或通过粘贴塑料来安装灯。的图。 11

任务4：捆绑所有组件

如图中所示。 12 ，在盒子里，我们有Basys3开发板，GPS和BT2模块；用电线，电缆扎带和胶带将它们固定。在它们的顶部，用硬纸板隔开的面包板带有用于接地和为伺服器供电的引脚。图13 。

第3步：处理电气部件

下一步，我们需要以某种方式将电气部件连接到板上。..由于传感器随附的收到的Digilent 6/12引脚电缆连接器很短，我们不得不通过焊接电线和引脚来扩展连接器用锡。 图7.a 和 7.b 显示了我们应在项目中的Basys3板与Pmod之间建立的连接。

此步骤再次分为几个任务。

任务1 ：将每个按钮焊接到一块焊板上，然后将其连接到两根导线上，这两根导线的长度相等，可以从自行车的一个手柄上取下到前面提到的自行车背面的板上。一根线将接地，另一根线将连接到电路板的引脚。一个按钮需要2 X 160厘米的电线。 （图8）

任务2 ：对LED和电阻进行相同的操作。因为我们决定将信号灯放在较早安装的盒子的背面，所以所需的电线将不再像上面提到的那样长。每根电线30厘米对我们来说绰绰有余。 （图9）

任务3 ：如果要连接3个伺服器，电路板的电源将不足。因此，我们决定为每个伺服器放置9V电池。因为使用的伺服器在4.8V-》 6V的电压下工作，所以我们添加了一个固定输出线性稳压器（LM7805），该稳压器为我们提供了5V的输出，用于为伺服器供电。 （图10）

未来的更新将包括Pmod的最终接线。现在，这是使用6/12针Digilent电缆连接器完成的。

步骤4：测试外围设备

所有内容均已在VHDL中编程。在本节中，我们将解释每个实现背后的逻辑。我们还提供下面的代码。

作为蓝牙模块的PmodBT2是使用UART协议控制的。从数据表我们知道它的波特率为115200。我们需要知道接收和发送操作的过采样率。尽管我们还为接收部分提供了代码，但我们现在仅使用传输功能。传输的过采样率计算为板频率/蓝牙波特率，在本例中为100MHz/115200 =868。有关如何控制和连接蓝牙的更多信息，请参见Internet。尽管pmod有12个引脚，但我们将仅连接RX，TX的2个引脚，GROUND和VCC的2个引脚。

PmodMAXSonar使用PWM（脉冲宽度调制）协议进行编程，尽管您可以使用其他编程协议。我们将需要引脚4（PWM输出），引脚5（GND）和引脚6（VCC）。 RX引脚将被上拉并设置为输出以连续传输数据。我们忽略了模拟和TX引脚。该分量的输出将是英寸的范围，该范围将通过对PWM输入脉冲的长度（即147微秒）进行计数来获得。每次计数器达到14699时，我们都会增加英寸，如果读数大于零，则会重置缓冲区以准备新的读数。

我们使用蓝牙模块将声纳读数传输到手机。我们计算出，要发送数据，我们需要将传输过采样率乘以所需的位数乘以2。过采样率是867，位数是16，乘以2，得到27774。使用计数器，每次达到该值时，我们就传输范围。可以根据需要进一步调整该值。

LED的一根线接地，另一根线接地。按钮的连接方式相同。面板等待按钮被按下。当它在按钮引脚上记录更改时，它开始闪烁一个LED。另一个按下的按钮将停止相应的指示灯。指示灯在逻辑上“绑定”到按钮。另一个导致另一个按钮。

注意：必须将按钮信号线所在的端口设置为在XDC文件中上拉才能正常工作。

Servos输入PWM的周期应为2ms。这意味着50 Hz频率。由于Basys3内部时钟的频率为100MHz，为了获得所需的50Hz时钟周期，我们将100MHz/50Hz = 2000000计数。基于特定的填充因子，我们将获得一定程度的伺服磁头移动，该角度再次实现为计数器。

使用模块SPI_communication_NAV_AG通过设置寄存器来从加速度计获取数据。想读取数据。例如，如果希望从x轴读取数据，可以将spi_addr设置为“ 0101001”。由于我们希望一直进行通信，因此我们将enable设置为1。从加速度计的X轴读取数据（主从SPI通信）。用重力加速度单位解释数据，并检查其是否在阈值内：1-5 g。如果阈值之间的读数值通知了制动信号灯。

注意：这些值可从观察中得知

GPS用于识别自行车的行驶速度。数据通过UART协议收集，并以5条消息的形式出现。我们只需要第五个VTG即可获得速度。来自GPS的所有信息都通过BT2发送到应用，最终在其中进行解析，并提取所需的数据。

第5步：对电路板进行编程

我们现在准备为当前的系统赋予生命！

1。打开Vivado Design Suite并创建一个新项目。

2。为项目指定所需的名称，创建一个约束文件，然后选择零件xc7a35tcpg236-1，它是Basys3板上的fpga核心。

3。为代码文件中提供的每个组件创建新的设计源，或仅将它们上载。

4。将我们提供的约束文件放入您的项目中（如果需要，可以根据自己的需要对其进行自定义）。

5。综合并实施您的设计。生成比特流，打开新目标并编程设备：）