基于CPLD的智能小車循跡

-.z**大學(xué)能源與動力工程學(xué)院本科生課程設(shè)計題目：智能小車循跡控制系統(tǒng)課程：電子技術(shù)專業(yè)：班級：學(xué)號：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)計要求3課程設(shè)計的時間安排3整體方案及特點智能小車循跡總體方案4設(shè)計的思路及其特點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4電源模塊設(shè)計6CPLD模塊設(shè)計6驅(qū)動模塊設(shè)計7直流電機8系統(tǒng)硬件電路設(shè)計10CPLD控制模塊內(nèi)個單元模塊的設(shè)計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.實驗照片159.實驗結(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1712.器材1713.使用儀器設(shè)備1814.參考文獻18-.z一、任務(wù)及要求1、課程任務(wù)及其功能設(shè)計智能小車循跡控制系統(tǒng)〔1〕小車可完成前進、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自動以轉(zhuǎn)小彎、轉(zhuǎn)大彎的運動方式調(diào)整小車的行進軌跡,完成自動循跡的運動方式。2、設(shè)計要求〔1〕要求用可編程邏輯器件〔FPGA/CPLD〕設(shè)計實現(xiàn)；〔2〕在實驗箱上或印刷電路板上安裝、調(diào)試出所設(shè)計的電路；〔3〕在EDA編程實驗系統(tǒng)上完成硬件系統(tǒng)的功能仿真；〔4〕寫出設(shè)計、調(diào)試、總結(jié)報告。3、課程設(shè)計的時間安排1〕方案設(shè)計；(1.5天)根據(jù)設(shè)計任務(wù)書給定的技術(shù)指導(dǎo)和條件，進展調(diào)查研究、查閱參考文獻，進展反復(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概貌的框圖。2)電路設(shè)計：(2天)根據(jù)方案設(shè)計框圖，并畫出各單元電路的詳細電路圖及總體電路圖。3)電路仿真：〔2.5天〕熟悉EDA工具，在EDA軟件平臺上修改設(shè)計的電路，給出正確的仿真結(jié)果。4)裝配圖設(shè)計：(1天)根據(jù)給定的元器件，結(jié)合邏輯電路圖，設(shè)計出電路制作的具體裝配圖(即繪出組件數(shù)量，管腳號以及器件布置的實際位置)。同時配以必要的文字說明。5〕電路制作：(2天)對選定的設(shè)計，按裝配圖進展裝配，調(diào)試實驗。6)總結(jié)鑒定：(1天)考核樣機是否全面到達現(xiàn)定的技術(shù)指標，能否長期可靠地工作，并寫出設(shè)計總結(jié)報告。整體方案及特點1、智能小車循跡總體方案電源模塊驅(qū)動模塊CPLD控制模塊電源模塊驅(qū)動模塊CPLD控制模塊左右左右尋跡信號尋跡信號直流電機直流電機紅外尋跡模塊紅外尋跡模塊2、設(shè)計的思路及其特點在智能尋跡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計中，以CPLD為核心，用L298N驅(qū)動兩個減速電機，當(dāng)產(chǎn)生信號驅(qū)動小車前進時，是通過尋跡模塊里的紅外對管是否尋到黑線產(chǎn)生的電平信號通過電壓比擬器LM339返回到CPLD，然后CPLD根據(jù)程序設(shè)計的要求做出相應(yīng)的判斷送給電機驅(qū)動模塊，讓小車來實現(xiàn)前進、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〔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。它有一個發(fā)射管〔白色〕和一個接收管〔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〕時接收管便不能收到發(fā)射管的紅外光。因為傳感器輸出端得到的是模擬電壓信號，所以在輸出端增加了電壓比擬器LM339，先將輸出電壓與2.5V進展比擬〔檢測到黑線時輸出低電平，發(fā)光二極管不亮；檢測到白線時輸出高電平，發(fā)光二級管亮〕，再送給CPLD處理和控制。本設(shè)計中，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)計利用L298穩(wěn)壓管輸出一路電壓，供應(yīng)單片機和電機驅(qū)動，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)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。3、CPLD控制模塊設(shè)計此局部是整個小車運行的核心部件，起著控制小車所有的運行狀態(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、易于進展功能擴展。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)正常前進當(dāng)尋跡板中間兩個傳感器檢測到白線，小車都正常前進。2〕左小拐彎當(dāng)只有左端第2個傳感器檢測到黑線，其余3個傳感器檢測到白色時，小車應(yīng)左小拐彎。3〕左大拐彎當(dāng)只要左端第1個傳感器檢測到黑線，右端2個傳感器檢測到白色時，小車應(yīng)左大拐彎。4)右小拐彎當(dāng)只有右端第2個傳感器檢測到黑線，其余3個傳感器檢測到白色時，小車應(yīng)右小拐彎。5)右大拐彎當(dāng)只要右端第1個傳感器檢測到黑線，左端2個傳感器檢測到白色時，小車應(yīng)右大拐彎。6〕停車當(dāng)4個傳感器同時檢測到黑線或其他情況，小車停車。4、驅(qū)動模塊設(shè)計〔1〕電路圖〔2〕工作原理從CPLD輸出信號功率很弱，即使在沒有其它外在負載是也無法帶動電機，所以在實際電路中我們參加了電機驅(qū)動芯片提高輸入電機信號的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機轉(zhuǎn)動。根據(jù)驅(qū)動功率大小以及連接電路的簡單化要求選擇L298N為直流電機驅(qū)動芯片。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。其引腳排列如下列圖所示，1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。L298N可驅(qū)動2個電機，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電動機?！?、10〕、〔7、12〕腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉(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)電機運行狀況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：可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，也可直接接地。第2、3腳：A電機輸出端口。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：輸入標準TTL電點平對A橋的輸出OUT1、OUT2進展控制。第8腳：接電源地。第9腳：接電機驅(qū)動電源，最高可達50V。第11腳：B橋使能端口。第10、12腳：輸入標準TTL電平對B橋的輸出OUT3、OUT4進展控制。第13、14腳：B電機輸出端口。5、直流電機〔1〕實物圖〔2〕原理因為一個驅(qū)動芯片L298N可驅(qū)動兩個直流電機，可我們這次購置的小車有四個直流電機，所以我們采用兩兩并聯(lián)的方法，即左側(cè)兩個并聯(lián)，右側(cè)兩個并聯(lián)。這樣就可以使每一側(cè)的兩個電機步調(diào)一致起來，便于控制。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計〔各模塊的硬件連接關(guān)系〕電源模塊驅(qū)動模塊CPLD控制模塊電源模塊驅(qū)動模塊CPLD控制模塊左右左右尋跡信號尋跡信號直流電機直流電機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是建立在十進制加減計數(shù)器上的分頻構(gòu)造，在CLK上升沿從0~9的*圍內(nèi)計數(shù)個數(shù)小于A時輸出高電平‘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)小車前面的四個紅外傳感器所檢測到的信號控制兩端電機的轉(zhuǎn)速。1〕當(dāng)小車需要正常前進時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)等于右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速。2〕當(dāng)小車需要左小拐時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)略小于右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速。3〕當(dāng)小車需要左大拐時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)比右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速小得多。4〕當(dāng)小車需要右小拐時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)略大于右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速。5〕當(dāng)小車需要右大拐時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)比右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速大得多。6〕當(dāng)小車需要停頓時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速和右側(cè)兩個電機的轉(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分別對應(yīng)小車從左到右四個傳感器，‘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速度大小，即實現(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。例如當(dāng)P1P2P3P4=0100時，表示左輪壓線且需要往左小拐彎，這時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。這樣也就實現(xiàn)了右側(cè)輪的平均功率大于左側(cè)平均功率，實現(xiàn)拐小彎。2、仿真波形系統(tǒng)總裝配圖實驗結(jié)果〔照片〕實驗結(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，否則很容易因為慣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性，故我們設(shè)計的程序還有待進一步的改良。經(jīng)調(diào)整傳感器的靈敏度以及程序參數(shù)的調(diào)整，小車最終實現(xiàn)了預(yù)期的目的即通過控制小車左右輪相對速度大小從而拐小彎拐大彎實現(xiàn)自動循跡。調(diào)試中出現(xiàn)問題的解決小車在轉(zhuǎn)彎的地方總會沖出跑道，因此要不斷的對程序進展修改，而在這程序的修改時，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，這個過程雖然簡單，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)試剛開場的時候，我們在檢測到直線時用了100%的占空比，而在轉(zhuǎn)彎時則把相對應(yīng)的占空比進展改變，以便讓小車能在轉(zhuǎn)彎的時候順利通過而不至于沖出跑道，在屢次的測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1、改良意見〔1〕最大的缺乏：驅(qū)動模塊控制前進方向的插條被固定為一定的上下電平，只能前進而不能實現(xiàn)后退，也就不能實現(xiàn)大轉(zhuǎn)彎〔即一側(cè)輪前進一側(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，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，我認為應(yīng)該考慮干擾問題，在程序中參加延時，使問題解決。2、收獲體會通過本次課程設(shè)計，我學(xué)到了很多。首先是掌握了用MA*+PLUS2軟件設(shè)計電路的較為熟練的應(yīng)用。從最開場的源程序的輸入，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。雖然以前實驗課教過MA*+PLUS2軟件但遠沒到達實際應(yīng)用的地步。這是我最大的收獲。其次是認識到自己缺乏發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，歸根到底就是平時學(xué)習(xí)時想的少，自己動手少。剛開場下載完程序，裝上集成塊后小車并不是按原定程序運行而是不轉(zhuǎn)動，自己當(dāng)時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CLK輸入管腳沒有鎖定！重新下載程序小車可以運行并循跡。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