深度剖析关于SoPC的智能巡迹小车的设计

摘要： 本设计以SoPC套件E-Play-1c12上配置的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8为控制单元，加以直流电机、光电传感器、超声波传感器和电源电路以及其他电路构成。控制小车在寻轨区能够沿黑线行驶，并能在相应的区域加/减速，进入寻光区后开始在光源的引导下到达终止线停止。同时，在小车行驶过程中车首点阵式液晶滚动显示字幕，实时显示小车行驶的时间及路程。

SoPC（System on a Programmable Chip）是一种特殊的嵌入式系统。首先它是片上系统，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能［1］。SoPC技术是将尽可能大而完整的电子系统（包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等）在单一FPGA中嵌入实现。因此，可以使得整个设计在规模、可靠性、体积、功耗、功能、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化［2］。从未来电子系统设计技术走势上看，SoPC技术更具发展性和前瞻性，被称为“半导体产业的未来”［3-4］。

1 系统总体设计方案

系统设计要求小车由起始端出发沿黑线行驶，在测到第一条黑线后有明显的加速，测到第二条黑线后有明显的减速，测到第三条黑线后开始寻光，测到第四条黑线后停止。在行驶过程中，车首液晶显示屏实时显示小车运行的时间和路程。下面给出两种方案：

（1）方案1：使用8051系列的单片机芯片。8051系列的单片机芯片使用多年，在市面上应用广泛。各种电路也比较成熟，但其速度相对较慢，指令都是串行执行，在增加液晶显示等模块后使得CPU对检测电路的扫描变慢。

（2）方案2：使用E-Play-SoPC开发套件上的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8。FPGA运算速度很快，且其进程以并列的形式执行，即使增加更多的功能模块（在FPGA芯片的资源范围内）也丝毫不影响对检测信号的响应速度［5］。

比较两种方案，为使小车平稳运行且功能更加智能化，选择了方案2。

系统整体框图如图1所示，主要由控制核心FPGA、寻轨电路、寻光电路、测障电路、液晶显示模块、电机驱动电路、LED指示灯指示模块、语音提示模块和点阵显示模块组成［6］。

2 硬件设计

2.1 寻轨电路

寻轨电路采用两对红外线传感器，当传感器未检测到黑线时，红外线接收管相当于短路，比较器负向端的电位在4 V左右；当检测到黑线时，红外线接收管相当于开路，比较器负向端的电位在2 V左右。因此，将比较器正向端电位器的比较电位调到3 V即可实现对黑线的检测。未检测到黑线时电路输出低电平，检测到黑线时输出高电平。其实现电路如图2所示。

2.3 电机驱动电路

小车采用双轮驱动，使用驱动芯片L293D，其工作电压为9 V。电机驱动电路如图4所示，引脚1和引脚9分别是电机输出的控制引脚，当引脚1或引脚9为低电平时，无论引脚2、引脚7、引脚10、引脚15的输入为何值，引脚3、引脚6、引脚11、引脚14的输出都为低电平；当引脚1或引脚9为高电平时，引脚3、引脚6、引脚11、引脚14输出的电平与引脚2、引脚7、引脚10、引脚15输入电平的高低相应。

3 软件设计

本文设计的小车中，基本运行程序可分为黑线计数模块、寻轨模块、寻光模块以及计时模块、路程测量模块、液晶显示模块、LED指示灯指示模块等辅助功能模块。其行驶程序流程图如图6所示。

（1）寻轨模块：在黑线数为0、1、2时执行此模块。当车底左端的传感器检测到黑线时，小车的左轮停止转动，右轮按原速转动；若右端的传感器检测到黑线，则反之。当黑线数为0、2时小车为减速状态，通过对电机驱动芯片L293D的控制引脚输出占空比为25%的方波信号实现。当黑线数为1时，小车运行在加速状态，此时直接电机驱动芯片L293D的控制引脚输出高电平。

（2）寻光模块：当黑线数为3时运行本模块，当光强检测电路的检测信号为高电平时认为左端的光照较强，小车左拐，反之右拐。

（3）路程测量模块：在小车的车轮上有黑、白相间且间距相同的扇形花纹，当车轮转动时车轮内侧的光电传感器产生高低变化的电信号，经过比较器比较产生脉冲信号，控制芯片通过对脉冲计数并与标定的数值相乘得出小车行驶的路程。

（4）LED指示灯指示模块，车首两端分别有3个颜色分别为红、黄、绿的LED指示灯指示小车的速度，绿灯亮时小车行驶在高速区，黄灯亮时小车行驶在低速区，红灯亮时小车到达终点停止。车前部两侧各有一个LED指示灯指示小车拐动方向，左拐时左灯亮，右拐时右灯亮。车尾有4个LED指示灯指示小车已测黑线的数量，每测一条黑线增加一个LED指示灯亮。

4 抗干扰措施

需要对黑线检测和障碍物检测的信号采取抗干扰措施。具体如下：当检测到黑线或障碍物时，延时一段时间后再次检测，若还是黑线或障碍物，则确定其为黑线或障碍物，否则认为其为干扰不予理睬［7］。具体实现程序如下：

PROCESS（a，clk）

VARIABLE m1，m2 ： INTEGER RANGE 0 TO 8191;

BEGIN

IF clk=′1′ AND clk‘EVENT THEN

IF a=″00″ THEN

m2：=0;

IF m1=8190 THEN

m1：=0;

IF a=″00″ THEN

r1《=′1′;

END IF;

ELSE

m1：=m1+1;

END IF;

ELSE

m1：=0;

IF m2=8190 THEN

m2：=0;

r1《=′0′;

ELSE

m2：=m2+1;

END IF;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

5 仿真测试

仿真测试时序如图7所示。其中，A所指示的位置为车底的两个光电传感器同时检测到黑线，经过去抖处理后黑线数目加1；B所指示的区域为高速区，小车高速行驶在此区域，当车底一侧的光电传感器检测到黑线时，小车相应地调整轨迹使其沿黑线行驶；C所指示的区域为减速区，小车在此区域中行驶的速度较慢，约为高速区的1/4。

此区域中存在很多弯道，当车底一侧的光电传感器检测到黑线时，小车也相应地调整轨迹沿黑线行驶；D所指示的区域为寻光区，小车进入此区域后立刻开始寻光并朝光线较强的方向行驶，小车在此区域中的速度与低速区相同；E所指示的位置为终点，当小车检测到终点线后停止运行。由仿真图可知，小车在理想情况下可顺利地通过高速寻轨区、低速寻轨区、寻光区，并在检测到终点线后停止运行。

FPGA的运算速度非常快，保证了小车的平稳运行，且其并行执行过程让点阵式液晶显示更加方便。FPGA在程序并行控制方面充分显示了其优越性，并且运行准确。今后将会对本设计进行扩展以及更进一步的开发。

参考文献

［1］ 何伟，秦江云，张玲，等。基于SoPC的多用途无线监控报 警系统［J］。电子技术应用，2011，37（2）：33-35.

［2］ 周渝斌。基于FPGA+DSP的智能车全景视觉系统［J］。电子技术应用，2011，37（3）：38-41.

［3］ POUSSIER S，RABAH H，WEBER S.SoPC-based embedded smart strain gage sensor［C］.12th International Conference， FPL 2002 Montpellier，France，2002：1131-1134.

［4］ Cao Liting，Jiang Wei，Zhang Zhaoli.Automatic meter reading system based on wireless mesh networks and SoPC technology［C］.Intelligent Networks and Intelligent Systems，ICINIS’09，Second International Conference，2009：142-145.

［5］ 雷伏容．VHDL电路设计［M］．北京：清华大学出版社，2007.

［6］ 徐惠民，安德宁．数字逻辑设计与VHDL语言描述［M］．北京：机械工业出版社，2010.

［7］ 薛小刚，葛毅敏.Xilinx ISE9.x FPGA/CPLD设计指南［M］。北京：人民邮电出版社，2007.

编辑：jq