基于FPGA的智能超市手推車及應(yīng)用

引言

智能機(jī)器人是具有感知思維和行動(dòng)功能的機(jī)器。要使機(jī)器工具有感知環(huán)境的能力，對(duì)環(huán)境變化做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，實(shí)現(xiàn)智能化，就要采用傳感器采集環(huán)境信息并用適當(dāng)?shù)男畔⑷诤戏椒▽h(huán)境信息加以綜合處理。

基于FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)的智能超市手推車是把智能機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到了傳統(tǒng)的超市手推車上，并結(jié)合了FPGA技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)以及多傳感器接入技術(shù)為一體，使得傳統(tǒng)的超市手推車具有智能機(jī)器人的特性，實(shí)現(xiàn)了手推車自動(dòng)跟隨用戶購(gòu)物，RFID(射頻識(shí)別)電子鑰匙開(kāi)關(guān)等功能。利用FPGA的并行處理等方面的優(yōu)勢(shì)，可以很好地對(duì)多組傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，綜合控制小車的行動(dòng)姿態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)，也可以控制小車行進(jìn)中的跟隨速度。利用FPGA在邏輯控制等方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音導(dǎo)購(gòu)模塊以及RFID電子標(biāo)簽?zāi)K的綜合控制作用。

FPGA的硬件資源極為豐富，預(yù)留的引腳接口眾多，這也為小車B后功能的升級(jí)留有可能性。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：對(duì)傳統(tǒng)的超市手推車的智能化改造：利用FPGA的多傳感器接入：電機(jī)PWM的數(shù)字控制精確度高：系統(tǒng)多功能，具有擴(kuò)展性。

硬件介紹及系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的超市手推車智能跟隨購(gòu)物的功能，為了實(shí)現(xiàn)小車對(duì)環(huán)境的感知與小車自動(dòng)行使的功能、本作品采用了自頂向下的設(shè)計(jì)方法，分別針對(duì)不同的功能模塊，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的IP核，在FPGA內(nèi)部完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析。由于系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性、可靠性都有所提高，并且功耗降低，體積也滿足了設(shè)計(jì)需求。

硬件介紹

基于小車需要對(duì)周圍環(huán)境信息的改變做出實(shí)時(shí)響應(yīng)，系統(tǒng)采用了雙紅外線傳感器與超聲波傳感器采集距離與方向信息，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA。經(jīng)過(guò)FPGA的處理，通過(guò)PWM控制減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)生電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。另外，RFID電子標(biāo)簽作為智能小車唯一的開(kāi)啟鑰匙、不但提高了小車使用的安全性，也提高了使用過(guò)程中的便捷性。圖l所示為小車硬件設(shè)計(jì)的總體框圖。

系統(tǒng)采用的紅外線傳感器是E18-D80NK反射式接近開(kāi)關(guān)傳感器，是一種集紅外線發(fā)射與接受于一體的輕便型傳感器，可以測(cè)量0～80cm之間的障礙物，廣泛應(yīng)用于障礙物監(jiān)測(cè)、流水線計(jì)數(shù)、門禁系統(tǒng)等多種場(chǎng)合。傳感器自帶電位器旋鈕，可調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)距離，并可以輸出TTL的檢測(cè)信號(hào)給處理器。

系統(tǒng)采用的超聲波傳感器是SRF06型超聲波傳感器，這是一款帶溫度補(bǔ)償、集超聲波收發(fā)功能的全數(shù)字傳感器。可提供3cm-3.5m的非接觸式距離感測(cè)功能、包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。該超聲波傳感器采用四引腳與外界通信，其中除去電源與地線以外，還有一個(gè)信號(hào)輸入/輸出引腳，分別用于啟動(dòng)傳感器測(cè)距與發(fā)送測(cè)量信號(hào)。該產(chǎn)品具有品質(zhì)好、超快響應(yīng)、抗溫度干擾、與極高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用FPGA的可編程及硬件實(shí)現(xiàn)上的優(yōu)點(diǎn)，最大限度地利用FPGA的硬件資源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)軟件編程的數(shù)據(jù)采集方法，保證了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確、高效。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)由五個(gè)模塊協(xié)同完成、包含了頂層模塊、超聲波啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生模塊、超聲波接收信號(hào)模塊、左電機(jī)PWM模塊以及右電機(jī)PWM模塊。系統(tǒng)采用FPGA開(kāi)發(fā)板上提供的50MHz時(shí)鐘作為全局參考時(shí)鐘，通過(guò)FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)(PLL)對(duì)這一全局時(shí)鐘進(jìn)行分頻處理，來(lái)滿足對(duì)不同模塊的時(shí)鐘要求。由于電機(jī)供電需要12V電壓驅(qū)動(dòng)。而FPGA開(kāi)發(fā)板以及傳感器模塊需要5V電壓供電，系統(tǒng)采用了光耦器件作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的核心器件，有效地隔離了高電壓(12V)可能對(duì)FPGA開(kāi)發(fā)板及傳感器模塊造成的損害。不同的傳感器需要有相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)、這就利用了FPGA的可重復(fù)編程的特性，依靠VHDL硬件描述語(yǔ)言對(duì)加入的傳感器編寫對(duì)應(yīng)的IP核模塊、完成數(shù)據(jù)的綜合采集、處理過(guò)程，也使得日后小車功能的升級(jí)更加便利。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

此部分對(duì)系統(tǒng)涉及到的頂層模塊、超聲波啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生模塊、超聲波接收信號(hào)模塊、左電機(jī)PWM模塊以及右電機(jī)PWM模塊的編寫及工作原理做了詳細(xì)的介紹。

頂層模塊設(shè)計(jì)

頂層模塊的主要功能是將以上提到的超聲波啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生模塊、超聲波接收信號(hào)模塊、左電機(jī)PWM模塊以及右電機(jī)PWM模塊連接起來(lái)，主要使用了元件例化語(yǔ)句使得各個(gè)獨(dú)立的功能模塊得以連接，成為一個(gè)完整的系統(tǒng)。另外，對(duì)紅外線傳感器模塊的控制也是在頂層模塊中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榧t外線傳感器采集到的信號(hào)是一組開(kāi)關(guān)量，在頂層模塊中可以很方便地將子模塊中采集到的信號(hào)量進(jìn)行匯總分析，判斷小車的轉(zhuǎn)向。當(dāng)小車檢測(cè)到左或右方向有遮擋時(shí)，遮擋一側(cè)的電機(jī)仍然是由超聲波信號(hào)強(qiáng)度來(lái)驅(qū)動(dòng)，而另一側(cè)的電機(jī)則是被賦予一個(gè)高電平，意味著電機(jī)會(huì)被全速驅(qū)動(dòng)，這樣小車就會(huì)前往受到遮擋的一側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如果安裝在小車兩側(cè)的紅外線傳感器都沒(méi)有受到遮擋，就會(huì)以超聲波傳感器的信號(hào)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。

超聲波啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生模塊解析

SRF06型超聲波模塊的啟動(dòng)需要一個(gè)10μs的TTL高電平作為啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)超聲波模塊啟動(dòng)以后，模塊內(nèi)部會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。通過(guò)測(cè)量這期間的時(shí)間差就可以計(jì)算出物體與小車的距離。

clock是系統(tǒng)參考時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率為50MHz，通過(guò)對(duì)這一時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，可以把高速時(shí)鐘信號(hào)降低為與超聲波啟動(dòng)信號(hào)一個(gè)數(shù)量級(jí)的IP核內(nèi)部時(shí)鐘，這樣計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)時(shí)可減少系統(tǒng)資源的開(kāi)銷。另一方面、由于超聲波的測(cè)距過(guò)程是一個(gè)實(shí)時(shí)不間斷的過(guò)程，因此超聲波也需要定時(shí)重復(fù)發(fā)送開(kāi)啟信號(hào)，計(jì)數(shù)器的另一個(gè)功能就是控制信號(hào)發(fā)送的頻率間隔，這里定義的是在500ms檢測(cè)一次距離的數(shù)據(jù)。

超聲波接收信號(hào)模塊

超聲波接收信號(hào)的作用是對(duì)超聲波測(cè)距返回信號(hào)的接收，通過(guò)接收到的信號(hào)計(jì)算出物體與小車之間的距離，并將計(jì)算后的信號(hào)值發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM模塊來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)小車跟人速度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。其中，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。

超聲波接收子模塊功能的實(shí)現(xiàn)是依靠?jī)?nèi)部分頻器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)機(jī)以及發(fā)送器這些進(jìn)程并行實(shí)現(xiàn)的。分頻器主要是為狀態(tài)機(jī)分頻出進(jìn)程所需的參考時(shí)鐘，由于狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要是依靠超聲波信號(hào)發(fā)生模塊發(fā)出的使能信號(hào)作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換標(biāo)志，所以時(shí)鐘需要與發(fā)送的使能信號(hào)進(jìn)行匹配后才能準(zhǔn)備接受。

計(jì)數(shù)器在這個(gè)模塊的作用有兩個(gè)：其一，當(dāng)接收信號(hào)端口接收到發(fā)送信號(hào)端口發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，狀態(tài)機(jī)從idle空閑狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)1，在狀態(tài)l中，計(jì)數(shù)器啟動(dòng)計(jì)數(shù)，直到接收信號(hào)接收端的數(shù)據(jù)發(fā)生跳轉(zhuǎn)，這時(shí)狀態(tài)機(jī)再次發(fā)生狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。由狀態(tài)1跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)2，并關(guān)閉計(jì)數(shù)器，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送器準(zhǔn)備發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)到PWM模塊。其二，計(jì)數(shù)器的男一個(gè)作用是對(duì)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)3跳轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)的控制，因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)傳遞到發(fā)送模塊以后、需要對(duì)狀態(tài)機(jī)及時(shí)復(fù)位，為更新的信號(hào)做好準(zhǔn)備，這時(shí)使用了一個(gè)計(jì)數(shù)器在10個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束后，自動(dòng)調(diào)整狀態(tài)機(jī)回歸到初始狀態(tài)。

發(fā)送器的作用主要是連接了控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM模塊、將通過(guò)計(jì)數(shù)器得到的時(shí)間數(shù)據(jù)以電機(jī)控制端口做實(shí)時(shí)的發(fā)送，并在每一次發(fā)送結(jié)束后自動(dòng)清零。

電機(jī)PWM轉(zhuǎn)速控制模塊

PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵谌我庖粋€(gè)時(shí)刻，滿幅值的直流電是在有或無(wú)的概率出現(xiàn)的，只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小，如圖4所示。

電機(jī)PWM轉(zhuǎn)速控制模塊內(nèi)部是由兩個(gè)分頻器、一個(gè)計(jì)數(shù)器以及一個(gè)數(shù)字比較器組成。分頻器1為數(shù)字比較器提供了所需的時(shí)鐘信號(hào)，由于控制信號(hào)的產(chǎn)生最終要通過(guò)光耦元件驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的光耦元件是低速光耦，這里的分頻主要是考慮了對(duì)光耦能支持的最高速度進(jìn)行了調(diào)整，保證了電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的完整性。分頻器2為計(jì)數(shù)器提供了所需的時(shí)鐘信號(hào)，考慮到超聲波測(cè)量的距離范圍在3cm-3.5m之間，因此可以算出超聲波測(cè)距一次的最短與最長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)這個(gè)時(shí)間，我們通過(guò)分頻器二控制了超聲波讀取數(shù)據(jù)的周期，這樣可以保證超聲波數(shù)據(jù)的有效性與實(shí)時(shí)性。

計(jì)數(shù)器的主要功能是捕獲來(lái)自超聲波接收模塊發(fā)出的電機(jī)控制使能信號(hào)，并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是100級(jí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，所以計(jì)數(shù)器采得的數(shù)值也會(huì)在0～100之間，當(dāng)這一使能信號(hào)發(fā)生反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)停止工作，清零并將所記得數(shù)值發(fā)送到比較器一端。數(shù)字比較器是PWM控制的核心部分，通過(guò)將采得的數(shù)值與一個(gè)固定數(shù)值的比較，就可以調(diào)節(jié)高低電平的輸出寬度，這樣就達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的行徑路線的360°控制，我們分別對(duì)左右輪電機(jī)編寫了兩組PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模塊，獨(dú)立控制左右輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)仿真結(jié)果

FPGA仿真為數(shù)字系統(tǒng)提供了與設(shè)計(jì)芯片功能等價(jià)的硬件原型，以接近實(shí)際運(yùn)行速度的方式執(zhí)行設(shè)計(jì)模型。利用測(cè)試向量或通過(guò)真實(shí)目標(biāo)系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)，驗(yàn)證和測(cè)試芯片的邏輯功能，具有速度快，響應(yīng)真實(shí)，并充分考慮了電路的時(shí)序要求。因此本設(shè)計(jì)中利用Xilinx公司的FPGA開(kāi)發(fā)軟件ISE10.1對(duì)FPGA實(shí)現(xiàn)的各部分功能模塊進(jìn)行功能仿真以及時(shí)序仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

圖5所示為當(dāng)超聲波傳感器的輸入端接收到10μs的TTL高屯平后，在超聲波傳感器內(nèi)部會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生8個(gè)40kHz的方波信號(hào)，然后通過(guò)接收模塊接收到的反射波來(lái)產(chǎn)生一個(gè)高電平，這個(gè)高電平的時(shí)間就是超聲波測(cè)到的監(jiān)測(cè)距離，通過(guò)仿真，我們驗(yàn)證了功能的實(shí)現(xiàn)。

本文利用Digilent公司的Basys開(kāi)發(fā)板作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合了多傳感器的接入與電機(jī)的控制、射頻識(shí)別模塊以及對(duì)超市小車的機(jī)械改造、最終實(shí)現(xiàn)了小車的自動(dòng)跟隨購(gòu)物，并在此基礎(chǔ)上附加了語(yǔ)音導(dǎo)購(gòu)功能，圖6是經(jīng)過(guò)改造的超市購(gòu)物小車。

由于FPGA具有的可重構(gòu)性、并行性、資源豐富等優(yōu)勢(shì)，小車在日后留有了很大的功能升級(jí)空間，比如加入圖像識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)只跟隨特定目標(biāo)，解決人多時(shí)容易跟丟的問(wèn)題：加入ZigBee或GPS定位模塊，解決室內(nèi)或室外的定位以及自主歸位問(wèn)題。另外，智能跟隨小車的應(yīng)用也不僅局限于超市，只要是需要行李車的地方，如機(jī)場(chǎng)，高爾夫球場(chǎng)，或是需要導(dǎo)航服務(wù)的景區(qū)都可能是智能小車最好的應(yīng)用場(chǎng)景。

小結(jié)

本文介紹了基于FPGA的智能跟隨小車實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用，利用現(xiàn)有的傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)、以及FPGA的硬件可編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了小車在超市、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)景的應(yīng)用，具有簡(jiǎn)單智能、方便實(shí)用的特點(diǎn)，為人們的購(gòu)物、旅行提供便利，添加樂(lè)趣。由于時(shí)間關(guān)系，系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了最基本的自動(dòng)跟隨用戶功能，相信在日后研究中，可以增加更多有趣的功能，更深度的利用FPGA的硬件資源，做出更加完善的系統(tǒng)。