1. 前言

傳統(tǒng)智能小車，特別是嵌入式系統(tǒng)，一般都是基于單片機或者ARM的嵌入式系統(tǒng)，基本上都由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成的，硬件系統(tǒng)方面，跟傳統(tǒng)的搭建硬件環(huán)境一樣，只能做相對裁剪和功能拓展，但是，本項目的課題是通過xilinx的FPGA開發(fā)板搭建嵌入式的硬件環(huán)境，從最小系統(tǒng)到IP核的添加，都是根據(jù)需要進行拓展的，實現(xiàn)一對一的拓展，不浪費資源，而且基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的最大有優(yōu)點是，既有PFGA的并行執(zhí)行效率，又有嵌入式軟件的邏輯過程分析控制。

2. 總體方案設計

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

使用Spartan-6的XC6SLX16 CSQ234 作為主控制器，傳感器使用攝像頭ov6620圖像采集模塊（兼測路徑），使用超聲波模塊（HCSR04）測距，由于兩者具有互補特性，所以能夠很好的控制小車的運行狀態(tài)，采用模糊算法計算出電機所需要的轉速，和舵機的轉角，從而實現(xiàn)穩(wěn)步漸進。

1. 1主控制器的選擇

解決方案：采用可編程邏輯器件FPGA作為控制器。FPGA可以實現(xiàn)復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，體積小，穩(wěn)定性高，IO資源豐富，易于外圍功能擴展，隨著FPGA的成本逐步降低，而且基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)的搭建也成為可行，既有傳統(tǒng)嵌入式的軟件靈活性，也有FPGA的并行快速執(zhí)行效率。

綜上所述，我們選用的Nexys3 Spartan-6作為系統(tǒng)的主控制器。

1. 2電源穩(wěn)壓芯片的選擇

本系統(tǒng)中，Spartan-6主控制器。

解決方案：由于直流電機的功耗大，決定采用7.2V，2000mAh的電池為供電源，采用LM25xx系列單片集成開關電源作為降壓芯片，可以提供大功率的輸出，轉換效率高，性能穩(wěn)定。

1. 3電機驅動選擇

解決方案：采用BTS7960B搭建全橋驅動，可以滿足大功率的輸出，分別驅動兩個電機。

驅動模塊電路

1. 攝像頭模塊的選擇

方案：采用數(shù)字攝像頭ov6620，控制簡單，價格合適，信號穩(wěn)定。

3. 系統(tǒng)硬件設計

1. 1車體模型

實物如下圖所示。

圖2 車體實際模型

攝像頭尋找黑線，指引小車循跡，超聲波測距，指引小車自控速度。

1. 2電源

其原理圖如圖三所示：

7.2V的輸入，穩(wěn)定輸出5V

1. 3Ov6620攝像頭傳感器模塊

OV6620 時序分析

OV6620的同步信號時序如下：場同步信號VSYN 為兩個正脈沖之間掃描一幀的定時，即

完整的一幀圖像在兩個正脈沖之間；行同步信號HREF 掃描該幀圖像中各行像素的定時，

即高電平時為掃描一行像素的有效時間；像素同步信號 PCLK為讀取有效像素值提供同步信

號，高電平時輸出有效圖像數(shù)據(jù)。下圖為OV6620 VSYN、HREF、PCLK三個同步信號之

間的時序關系：

VYNSC是判斷是否一幅圖像開始，周期是 20ms, 其中高電平持續(xù)時間很短；HREF 是判

斷是否一行圖像的開始，周期是 63us 左右，其中高電平持續(xù)時間為 40US，低電平持續(xù)

時間 23US，那么我們對照時序圖可以計算一下 OV6620 的分辨率：20ms/63us=317,

當然實際上沒有這么多，消隱和無效信號去掉之后只有 292行；有效的灰度數(shù)據(jù)是在行中

斷之后的上升沿內，所以不要在行中斷后的 23US 后采集。計算一下一行 OV6620 有多

少個點： 40us/110ns=363, 消隱和無效信號去掉之后只有 356 個點。足以證明

OV6620的分辨率為 356*292。通過示波器觀察，PCLK 的周期只有 150ns，依照單片

機的總線，根本無法捕捉到這個信號，此時PCLK 的波形已經變?yōu)榧獠ǎ耆珱]有意義捕捉

這個信號，采集圖像時盡快地一個點一個點的取就行了。

1. 4直流電機驅動

系統(tǒng)中采用了BTS7960B搭建全橋驅動，可以滿足大功率的輸出，分別驅動兩個電機。

BTS7960B 的芯片內部為一個半橋。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN引腳用于確定哪個MOSFET 導通。IN=1 且INH=1 時，高邊MOSFET 導通，OUT 引腳輸出高電平；IN=0 且INH=1 時，低邊MOSFET 導通，OUT 引腳輸出低電平。SR 引腳外接電阻的大小，可以調節(jié)MOS管導通和關斷的時間，具有防電磁干擾的功能。

3.5下圖是由FPGA構建的最小嵌入式系統(tǒng)，是根據(jù)xilinx官方的EDK要求搭建的。

最小系統(tǒng)

4系統(tǒng)軟件設計

軟件設計主要分為三部分，第一部分是最小系統(tǒng)的搭建（軟件初始化），第二部分是外部硬件的驅動，第三部分是核心算法。

1. 1最小系統(tǒng)的搭建（軟件初始化）：

利用EDK工具，搭建最小的嵌入式系統(tǒng)。

1. 2外部硬件驅動：

外部硬件驅動，選擇以IP核的形式添加到最小系統(tǒng)歷來，用硬件描述語言編寫驅動核心代碼，然后軟件通過寄存器驅動外部硬件。

1. 3核心算法：

這部分是整個系統(tǒng)的核心，它的結構框圖如下圖所示：

圖10 軟件結構框圖

5系統(tǒng)調試和測試

調試過程：

5.1硬件平臺的方案測試

在EDK設計中，可以新建測試代碼，自動生成測試代碼，通過串口打印驗證結果。

5.2 超聲波模塊的使用

在增加IP核過程中，需要根據(jù)超聲波的時序要求，用硬件描述語言描述驅動的過程。

process(Bus2IP_Clk,slv_reg1,the_end)

begin

if slv_reg1=x00000000 then

counter=x00000000;

chao_out = 0;

div_clk=0;

elsif rising_edge(Bus2IP_Clk) then

if the_end = 1 then

chao_out = 1;

counter=counter+1;

if(counter=x1F4) then

counter=x00000000;

chao_out = 0;

div_clk=1;

end if;

end if;

end if;

end process;

-- implement slave model software accessible register(s) read mux

SLAVE_REG_READ_PROC : process( Bus2IP_Resetn,slv_reg_read_sel, slv_reg0, slv_reg1,Bus2IP_Clk,div_clk ) is

begin

case slv_reg_read_sel is

when 10 =>

if Bus2IP_Resetn = 0 then

timer_count = x00000000;

the_end = 0;

elsif div_clk=1 then

if slv_chao_in=1 then

the_end = 0;

timer_count = timer_count + 1;

else

slv_ip2bus_data = timer_count; --slv_reg0;

the_end = 1;

timer_count = x00000000;

end if;

else

slv_ip2bus_data = slv_reg0;

end if;

when 01 => slv_ip2bus_data = slv_reg1;

when others => slv_ip2bus_data = (others => 0);

end case;

end process SLAVE_REG_READ_PROC;

5.3 PWM模塊的調試

由于需要兩路的PWM來分別操作舵機和直流電機，所有PWM的調試時至關重要的。

代碼如下：

int main()

{

unsigned long i,j;

//close PWM

PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_0_BASEADDR,0,0x00); //PWM0

PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_1_BASEADDR,0,0x00); //PWM1

for(i=0;i=99999;i++);

PWM_deal(0x2E);

while(1)

{

PWM_deal(0x2E);

delay(60);

PWM_deal(0x38);

delay(60);

PWM_deal(0x2E);

delay(60);

PWM_deal(0x24);

delay(60);

}

return 0;

}

void PWM_deal(unsigned char reg0)

{

//PWM0 舵機

//PWM 頻率

PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_0_BASEADDR,0,0x1F4);

//PWM 占空比

PWM_IP_mWriteSlaveReg0(XPAR_PWM_IP_0_BASEADDR,0,reg0);

//PWM1 直流電機

PWM_IP_mWriteSlaveReg1(XPAR_PWM_IP_1_BASEADDR,0,0x1F4); //

PWM_IP_mWriteSlaveReg0(XPAR_PWM_IP_1_BASEADDR,0,reg0); //slv_reg0

}