基于FPGA的室內智能吸塵平臺設計與實現(xiàn)

摘 要： 采用FPGA、多種傳感器和其他硬件協(xié)同工作的方法；在硬件的選型、仿真和組裝，軟件的設計、編程與調試等方面做了大量的實驗。通過實驗找到了軟硬件中存在的問題并進行了改善。得到了一個具有遙控和自主吸塵功能、結構簡單、成本低、能夠智能躲避障礙物的基于FPGA的室內智能吸塵平臺。
關鍵詞： FPGA；室內智能吸塵平臺；Quartus II；Nios II

智能環(huán)境清潔器由于可代替人進行環(huán)境清潔工作，已日漸成為人們研究的焦點。雖然它們實現(xiàn)了智能，但大多結構復雜、集成度高，不利于開發(fā)者拓展其功能。在研究并總結市場上相對成熟產品的基礎上，本文基于可編程性強的FPGA設計并實現(xiàn)了應用于室內的智能吸塵平臺。平臺具備自我導航、能清潔大部分空間，同時外形緊湊、運行穩(wěn)定、噪音小。更重要的是其結構簡單，具有人性化接口，便于操作和功能的進一步開發(fā)。
1 平臺總構成
本文提出的平臺整體框架設計如圖1所示，用裝有四個輪子的小車作為整個平臺的載體。以FPGA控制器作為整個平臺的主控器，通過I/O與光電傳感器jk1、jk2、jk3、jk4及碰撞開關jk5相連，實現(xiàn)平臺障礙的檢測；通過I/O輸出PWM波形，驅動揚聲器和高低電平的變化以驅動LED的亮滅，組成聲光電路；通過控制電機驅動器的信號控制線來驅動步進電機dj1、dj2和直流吸塵電機dj3，實現(xiàn)平臺的移動和吸塵。

2 硬件主體設計
系統(tǒng)主要由FPGA主控芯片、光電傳感器、碰撞開關、由2個STC89C52單片機控制的無線遙控發(fā)射模塊、兩種模式選擇芯片、聲光電路、驅動電機、吸塵器電機和整個系統(tǒng)的供電電路組成，如圖2所示。

2.1 FPGA芯片的選擇
根據(jù)平臺的總體設計，可以得出對芯片的基本要求：(1)需要最少6路PWM波形輸出。(2)需要一路串行通信接口。(3)需要較高的12 V轉化為3.3 V的實時芯片。(4)較高的處理速度。(5)I/O接口要多。
綜合考慮這些條件，采用Altera公司生產的CycloneII系列FPGA中的EP2C35F672C6型號基本可滿足要求。它具有出色的運算速度，成本低且?guī)в蠨SP模塊，具有超大的內部存儲器、多通道PWM輸出以及靈活的設計和多種語言的綜合運用，性價比較高[1，2]。
2.2 配置電路設計要點[3-6]