基于CPLD的智能小車循跡

-.z**大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院本科生課程設(shè)計(jì)題目：智能小車循跡控制系統(tǒng)課程：電子技術(shù)專業(yè)：班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：***指導(dǎo)教師：*教師完成日期：20**年11月26日-.z目錄1.任務(wù)及要求課程任務(wù)及其功能3設(shè)計(jì)要求3課程設(shè)計(jì)的時(shí)間安排3整體方案及特點(diǎn)智能小車循跡總體方案4設(shè)計(jì)的思路及其特點(diǎn)4各組成局部的電路構(gòu)造及工作原理紅外循跡模塊設(shè)計(jì)4電源模塊設(shè)計(jì)6CPLD模塊設(shè)計(jì)6驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)7直流電機(jī)8系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)10CPLD控制模塊內(nèi)個(gè)單元模塊的設(shè)計(jì)PWM10主要控制模塊11CPLD控制模塊的頂層電路圖原理圖14仿真波形14系統(tǒng)總裝配圖158.實(shí)驗(yàn)照片159.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1610.調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決1611.改良意見及收獲體會(huì)1712.器材1713.使用儀器設(shè)備1814.參考文獻(xiàn)18-.z一、任務(wù)及要求1、課程任務(wù)及其功能設(shè)計(jì)智能小車循跡控制系統(tǒng)〔1〕小車可完成前進(jìn)、轉(zhuǎn)向等行駛方式；〔2〕小車在底盤安裝四組紅外傳感器；〔3〕系統(tǒng)根據(jù)紅外傳感器提供的信息測(cè)算小車與地面深色路徑的偏離程度；〔4〕當(dāng)小車偏離地面深色路徑時(shí)自動(dòng)以轉(zhuǎn)小彎、轉(zhuǎn)大彎的運(yùn)動(dòng)方式調(diào)整小車的行進(jìn)軌跡,完成自動(dòng)循跡的運(yùn)動(dòng)方式。2、設(shè)計(jì)要求〔1〕要求用可編程邏輯器件〔FPGA/CPLD〕設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；〔2〕在實(shí)驗(yàn)箱上或印刷電路板上安裝、調(diào)試出所設(shè)計(jì)的電路；〔3〕在EDA編程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成硬件系統(tǒng)的功能仿真；〔4〕寫出設(shè)計(jì)、調(diào)試、總結(jié)報(bào)告。3、課程設(shè)計(jì)的時(shí)間安排1〕方案設(shè)計(jì)；(1.5天)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書給定的技術(shù)指導(dǎo)和條件，進(jìn)展調(diào)查研究、查閱參考文獻(xiàn)，進(jìn)展反復(fù)比擬和可行性論證，確定出方案電路，畫出主要單元電路，數(shù)據(jù)通道，輸入、輸出及重要控制信號(hào)概貌的框圖。2)電路設(shè)計(jì)：(2天)根據(jù)方案設(shè)計(jì)框圖，并畫出各單元電路的詳細(xì)電路圖及總體電路圖。3)電路仿真：〔2.5天〕熟悉EDA工具，在EDA軟件平臺(tái)上修改設(shè)計(jì)的電路，給出正確的仿真結(jié)果。4)裝配圖設(shè)計(jì)：(1天)根據(jù)給定的元器件，結(jié)合邏輯電路圖，設(shè)計(jì)出電路制作的具體裝配圖(即繪出組件數(shù)量，管腳號(hào)以及器件布置的實(shí)際位置)。同時(shí)配以必要的文字說明。5〕電路制作：(2天)對(duì)選定的設(shè)計(jì)，按裝配圖進(jìn)展裝配，調(diào)試實(shí)驗(yàn)。6)總結(jié)鑒定：(1天)考核樣機(jī)是否全面到達(dá)現(xiàn)定的技術(shù)指標(biāo)，能否長(zhǎng)期可靠地工作，并寫出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。整體方案及特點(diǎn)1、智能小車循跡總體方案電源模塊驅(qū)動(dòng)模塊CPLD控制模塊電源模塊驅(qū)動(dòng)模塊CPLD控制模塊左右左右尋跡信號(hào)尋跡信號(hào)直流電機(jī)直流電機(jī)紅外尋跡模塊紅外尋跡模塊2、設(shè)計(jì)的思路及其特點(diǎn)在智能尋跡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以CPLD為核心，用L298N驅(qū)動(dòng)兩個(gè)減速電機(jī)，當(dāng)產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)時(shí)，是通過尋跡模塊里的紅外對(duì)管是否尋到黑線產(chǎn)生的電平信號(hào)通過電壓比擬器LM339返回到CPLD，然后CPLD根據(jù)程序設(shè)計(jì)的要求做出相應(yīng)的判斷送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，讓小車來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等根本功能。三、各組成局部的電路構(gòu)造及工作原理1、紅外尋跡模塊的設(shè)計(jì)〔1〕電路構(gòu)造發(fā)射局部接收局部〔2〕工作原理該系統(tǒng)中的尋線模塊我們采用的是紅外傳感器。它有一個(gè)發(fā)射管〔白色〕和一個(gè)接收管〔黑色〕，一般情況下接收管能收到發(fā)射管發(fā)送的紅外光，但當(dāng)遇到吸光介質(zhì)〔如黑色物體〕時(shí)接收管便不能收到發(fā)射管的紅外光。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龆说玫降氖悄M電壓信號(hào)，所以在輸出端增加了電壓比擬器LM339，先將輸出電壓與2.5V進(jìn)展比擬〔檢測(cè)到黑線時(shí)輸出低電平，發(fā)光二極管不亮；檢測(cè)到白線時(shí)輸出高電平，發(fā)光二級(jí)管亮〕，再送給CPLD處理和控制。本設(shè)計(jì)中，為使小車尋線穩(wěn)定，最好選擇差異較大的環(huán)境，例如在白地板上貼上黑線，可使紅外尋線模塊工作更加靈敏穩(wěn)定。2、電源模塊的設(shè)計(jì)利用L298穩(wěn)壓管輸出一路電壓，供應(yīng)單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還供應(yīng)尋跡模塊。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。3、CPLD控制模塊設(shè)計(jì)此局部是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部件，起著控制小車所有的運(yùn)行狀態(tài)作用。采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進(jìn)展功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心1)正常前進(jìn)當(dāng)尋跡板中間兩個(gè)傳感器檢測(cè)到白線，小車都正常前進(jìn)。2〕左小拐彎當(dāng)只有左端第2個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，其余3個(gè)傳感器檢測(cè)到白色時(shí)，小車應(yīng)左小拐彎。3〕左大拐彎當(dāng)只要左端第1個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，右端2個(gè)傳感器檢測(cè)到白色時(shí)，小車應(yīng)左大拐彎。4)右小拐彎當(dāng)只有右端第2個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，其余3個(gè)傳感器檢測(cè)到白色時(shí)，小車應(yīng)右小拐彎。5)右大拐彎當(dāng)只要右端第1個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，左端2個(gè)傳感器檢測(cè)到白色時(shí)，小車應(yīng)右大拐彎。6〕停車當(dāng)4個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線或其他情況，小車停車。4、驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)〔1〕電路圖〔2〕工作原理從CPLD輸出信號(hào)功率很弱，即使在沒有其它外在負(fù)載是也無法帶動(dòng)電機(jī)，所以在實(shí)際電路中我們參加了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片提高輸入電機(jī)信號(hào)的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率大小以及連接電路的簡(jiǎn)單化要求選擇L298N為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。其引腳排列如下列圖所示，1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)。L298N可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)?！?、10〕、〔7、12〕腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。L298N的邏輯功能如表1所示。表1L298N邏輯功能表ENA(B)IN1(IN3〕IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)行狀況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同IN2(IN4)同IN1(IN3〕快速停頓L**停頓其引腳圖如圖1所示:引腳介紹：第1、15腳：可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)，也可直接接地。第2、3腳：A電機(jī)輸出端口。第4腳：接邏輯控制的+5V電源。第6腳：A橋使能端口。第5、7腳：輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL電點(diǎn)平對(duì)A橋的輸出OUT1、OUT2進(jìn)展控制。第8腳：接電源地。第9腳：接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，最高可達(dá)50V。第11腳：B橋使能端口。第10、12腳：輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL電平對(duì)B橋的輸出OUT3、OUT4進(jìn)展控制。第13、14腳：B電機(jī)輸出端口。5、直流電機(jī)〔1〕實(shí)物圖〔2〕原理因?yàn)橐粋€(gè)驅(qū)動(dòng)芯片L298N可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，可我們這次購置的小車有四個(gè)直流電機(jī)，所以我們采用兩兩并聯(lián)的方法，即左側(cè)兩個(gè)并聯(lián)，右側(cè)兩個(gè)并聯(lián)。這樣就可以使每一側(cè)的兩個(gè)電機(jī)步調(diào)一致起來，便于控制。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)〔各模塊的硬件連接關(guān)系〕電源模塊驅(qū)動(dòng)模塊CPLD控制模塊電源模塊驅(qū)動(dòng)模塊CPLD控制模塊左右左右尋跡信號(hào)尋跡信號(hào)直流電機(jī)直流電機(jī)紅外尋跡模塊紅外尋跡模塊CPLD控制模塊內(nèi)各單元模塊的設(shè)計(jì)1、PWM〔脈沖寬度調(diào)制〕(1)VHDL程序libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entitypwmisport(clk:instd_logic;a:instd_logic_vector(3downto0);pwmout:outstd_logic);endpwm;architecturecondofpwmissignalcount:std_logic_vector(3downto0);beginprocess(clk)beginif(rising_edge(clk))thenif(count="1001")thencount<="0000";elsecount<=count+1;endif;if(count<a)thenpwmout<='1';elsepwmout<='0';endif;endif;endprocess;endcond;(2)原理圖PWM是建立在十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器上的分頻構(gòu)造，在CLK上升沿從0~9的*圍內(nèi)計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)小于A時(shí)輸出高電平‘1’，否則輸出‘0’，其相當(dāng)于速度控制單元。(3)仿真波形2、主要控制模塊原理和功能根據(jù)小車前面的四個(gè)紅外傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)控制兩端電機(jī)的轉(zhuǎn)速。1〕當(dāng)小車需要正常前進(jìn)時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)等于右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2〕當(dāng)小車需要左小拐時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)略小于右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3〕當(dāng)小車需要左大拐時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)比右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小得多。4〕當(dāng)小車需要右小拐時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)略大于右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。5〕當(dāng)小車需要右大拐時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)比右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大得多。6〕當(dāng)小車需要停頓時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)都為零。VHDL程序LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITYctlISPORT(p1,p2,p3,p4:INSTD_LOGIC;temp1,temp2:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDctl;ARCHITECTUREbehaveOFctlISBEGINPROCESS(p1,p2,p3,p4)VARIABLETEMP:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0):="0000";BEGINTEMP:=p1&p2&p3&p4;IF(TEMP="0000")THENtemp1<="1000";temp2<="1000";ELSIF(TEMP="0010")THENtemp1<="1000";temp2<="0011";ELSIF(TEMP=("0001")ORTEMP=("0011"))THENtemp1<="1001";temp2<="0001";ELSIF(TEMP="0100")THENtemp1<="0011";temp2<="1000";ELSIF(TEMP=("1000")ORTEMP=("1100"))THENtemp1<="0001";temp2<="1001";ELSEtemp1<="0000";temp2<="0000";ENDIF;ENDPROCESS;ENDbehave;原理圖P1~P4分別對(duì)應(yīng)小車從左到右四個(gè)傳感器，‘1’電平表示壓線‘0’表示正常，假設(shè)左輪壓線則右輪車速大于左輪，即TEMP2>TEMP1,通過程序給定的TEMP數(shù)值可以控制左右輪的相對(duì)速度大小，即實(shí)現(xiàn)循跡轉(zhuǎn)彎。仿真波形CPLD控制模塊的頂層電路圖1、原理圖輸入端接傳感器的輸入電平，輸出端結(jié)控制速度單元模塊即PWM，L和R分別控制小車左右側(cè)電機(jī)。例如當(dāng)P1P2P3P4=0100時(shí)，表示左輪壓線且需要往左小拐彎，這時(shí)TEMP1=0011，TEMP2=1000。反響在PWM的作用為：輸出R的占空比大于L的，即8/3倍，也就是R與L的平均電壓比。這樣也就實(shí)現(xiàn)了右側(cè)輪的平均功率大于左側(cè)平均功率，實(shí)現(xiàn)拐小彎。2、仿真波形系統(tǒng)總裝配圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果〔照片〕實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析由于這次小車行駛的軌道的寬度有限，所以在速度上不能太快，否則很容易因?yàn)閼T性大而沖出黑色跑道。而且從前面仿真波形來看，小車作出判斷有一定的延時(shí)性，故我們?cè)O(shè)計(jì)的程序還有待進(jìn)一步的改良。經(jīng)調(diào)整傳感器的靈敏度以及程序參數(shù)的調(diào)整，小車最終實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目的即通過控制小車左右輪相對(duì)速度大小從而拐小彎拐大彎實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡。調(diào)試中出現(xiàn)問題的解決小車在轉(zhuǎn)彎的地方總會(huì)沖出跑道，因此要不斷的對(duì)程序進(jìn)展修改，而在這程序的修改時(shí)，要不斷的從小車上取下CPLD集成塊，再把程序通過串口下載到集成塊后又要再次插入，這個(gè)過程雖然簡(jiǎn)單，但每次都必須小心的拔出并插入，以免把集成塊插反而被燒壞。在調(diào)試剛開場(chǎng)的時(shí)候，我們?cè)跈z測(cè)到直線時(shí)用了100%的占空比，而在轉(zhuǎn)彎時(shí)則把相對(duì)應(yīng)的占空比進(jìn)展改變，以便讓小車能在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候順利通過而不至于沖出跑道，在屢次的測(cè)試后小車終于能順利的沿著跑道跑了。改良意見及收獲體會(huì)1、改良意見〔1〕最大的缺乏：驅(qū)動(dòng)模塊控制前進(jìn)方向的插條被固定為一定的上下電平，只能前進(jìn)而不能實(shí)現(xiàn)后退，也就不能實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)彎〔即一側(cè)輪前進(jìn)一側(cè)輪后退〕。(2)再好的電路都應(yīng)該考慮干擾問題，在編寫程序時(shí)，我們都是想當(dāng)然的在理想環(huán)境下，始終沒有考慮硬件造成的干擾的問題。事后，我認(rèn)為應(yīng)該考慮干擾問題，在程序中參加延時(shí)，使問題解決。2、收獲體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多。首先是掌握了用MA*+PLUS2軟件設(shè)計(jì)電路的較為熟練的應(yīng)用。從最開場(chǎng)的源程序的輸入，到波形圖的生成與仿真，再到生成gdf格式的原件，最后應(yīng)用層次化設(shè)計(jì)電路的思想調(diào)出已生成的元器件搭建總的電路圖并編譯模擬，最后在下載到CPLD集成塊。雖然以前實(shí)驗(yàn)課教過MA*+PLUS2軟件但遠(yuǎn)沒到達(dá)實(shí)際應(yīng)用的地步。這是我最大的收獲。其次是認(rèn)識(shí)到自己缺乏發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，歸根到底就是平時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)想的少，自己動(dòng)手少。剛開場(chǎng)下載完程序，裝上集成塊后小車并不是按原定程序運(yùn)行而是不轉(zhuǎn)動(dòng)，自己當(dāng)時(shí)就不知道是哪地方出了問題，經(jīng)過一番茫無目的排查后最終才確定原來鎖定管腳時(shí)CLK輸入管腳沒有鎖定！重新下載程序小車可以運(yùn)行并循跡。但也有缺乏，最大的缺乏是我只成功的編了一局部程序，有一局部是借鑒的。遺憾的是明明感覺自己可以編