基于FPGA的室内智能吸尘平台设计

智能环境清洁器由于可代替人进行环境清洁工作，已日渐成为人们研究的焦点。虽然它们实现了智能，但大多结构复杂、集成度高，不利于开发者拓展其功能。在研究并总结市场上相对成熟产品的基础上，本文基于可编程性强的FPGA设计并实现了应用于室内的智能吸尘平台。平台具备自我导航、能清洁大部分空间，同时外形紧凑、运行稳定、噪音小。更重要的是其结构简单，具有人性化接口，便于操作和功能的进一步开发。

1 平台总构成

本文提出的平台整体框架设计如图1所示，用装有四个轮子的小车作为整个平台的载体。以FPGA控制器作为整个平台的主控器，通过I/O与光电传感器jk1、jk2、jk3、jk4及碰撞开关jk5相连，实现平台障碍的检测;通过I/O输出PWM波形，驱动扬声器和高低电平的变化以驱动LED的亮灭，组成声光电路;通过控制电机驱动器的信号控制线来驱动步进电机dj1、dj2和直流吸尘电机dj3，实现平台的移动和吸尘。

2 硬件主体设计

系统主要由FPGA主控芯片、光电传感器、碰撞开关、由2个STC89C52单片机控制的无线遥控发射模块、两种模式选择芯片、声光电路、驱动电机、吸尘器电机和整个系统的供电电路组成，如图2所示。

2.1 FPGA芯片的选择

根据平台的总体设计，可以得出对芯片的基本要求：(1)需要最少6路PWM波形输出。(2)需要一路串行通信接口。(3)需要较高的12 V转化为3.3 V的实时芯片。(4)较高的处理速度。(5)I/O接口要多。

综合考虑这些条件，采用Altera公司生产的CycloneII系列FPGA中的EP2C35F672C6型号基本可满足要求。它具有出色的运算速度，成本低且带有DSP模块，具有超大的内部存储器、多通道PWM输出以及灵活的设计和多种语言的综合运用，性价比较高[1，2]。

2.2 配置电路设计要点[3-6]

(1)电源电路：供电系统采用12 V电源作为输入电源，利用L7805CV将其降压为5 V，再由TPS37HD301将5 V转化为3.3 V和1.2 V，FPGA的I/O端口供电点压为3.3 V，内核供电电压为1.2 V。因为电机驱动系统是用控制器的5 V信号，而FPGA的端口电压是3.3 V，必须将I/O电压升压到5 V，在这里利用的是74HCT245升压芯片。

(2)时钟和复位电路：时钟电路中用ZPB-26-16 M作为有源晶振，频率为16 MHz，使得串口波特率更加精确。同时可支持芯片内部的PPL功能及ISP下载功能。复位电路采取硬件复位和软件复位。

(3)调试JTAG和下载电路：因为FPGA内部可以直接搭建软核ISP和JTAG，硬件电路接一个IDC-10的JTAG接口。

(4)配置存储电路：选用EPCS16作为FPGA的ROM，可以由下载电缆或其他设备进行重复编程，也可以通过AS接口进行在线系统编程。用FPGA芯片内部自带的4 MHz的On-Chip memory作为FPGA的RAM。

(5)传感器和碰撞开关：光电传感器(光电开关)选用沪工集团的E3F-DS5C4.P1R型号的光电开关，用于检测障碍和楼梯，此型号是圆柱型扩散式最远距离5 cm、可调NPN型常开光电开关。碰撞开关主要与前传感器配合完成对平台前的保护。当平台碰到前方障碍时，触发开关，使平台躲开障碍物。

(6)无线发送与接收模块：选用汇睿微通XL02-232AP1型号无线模块，XL02-232AP1是UART接口半双工无线传输模块，可以工作在433 MHz公用频段，满足无线管制要求。

(7)驱动和吸尘电机：平台采用前轮双驱动，电机选择深圳步科公司生产的两相混合式步进电机，吸尘器电机采用直流电机。步进电机的主要电器参数为：①步距角：1.8°;②相电流：0.87 A;③保持扭矩：0.24 nm;④相电阻：3.3 Ω;⑤相电感：5.0 mH;⑥重量：0.2 kg。

(8)声光电路和自动清扫时间输入显示电路：声光电路主要由发光二极管和蜂鸣器组成，直接连FPGA，提醒平台工作状态。利用4个按键(确定、初始、上调、下调)输入清扫时间，再由三个数码管显示设定时间。清扫时间由FPGA内部的定时器计时，当计时完成时，平台即停止工作。

3 程序设计要点

将程序分为硬件程序设计和软件程序设计两部分，硬件程序设计要对硬件电路进行时序仿真以确定达到调试的效果。

3.1 硬件程序设计与仿真

平台主要通过传感器和碰撞开关产生输入信号，通过FPGA处理信号，最后FPGA把处理后的信号传到电机，由电机来完成一系列的动作，如表1所示。所以其逻辑设计是实现智能的关键。

结束硬件选型后，利用Quartus II搭建硬件原理图，编译后对jk1、jk2、jk3、 jk4进行时序仿真，分析时序关系，估计设计的性能并检查和消除竞争冒险[7-9]。仿真结果如图3所示。

时序仿真图中，clk为输入PWM信号，clr和en两个模块的片选信号是由FPGA的SoPC通过软件C语言控制。当jk1=0、jk2&jk3=1时，output(PWM控制信号)会出现一段等于0之后产生20个波形。需要说明的是：图3(a)时序仿真图中，output出现一段PWM后出现低电平后接着出现了20个PWM，说明平台在正常前进遇到jk1=0、jk2&jk3=1时，会停车一段时间接着左拐或者右拐20个PWM角度。驱动器用的是4细分，输出1个PWM波形步进电机会转动0.45°,应该旋转90°但是波形个数为：n=(90/0.45)=200个，在此用20个代替200个说明问题(图3(b)的波形个数都会以此情况说明)。

由图3(b)可以看到前段时间jk4为高电平，pwmout输出正常脉冲，说明此时平台处于正常吸尘状态。后段时间jk4变为低电平，pwmout时延后输出一小段脉冲，说明此时平台检测到楼梯，停车一段时间后调整方向。

3.2 软件程序设计

硬件设计调试完成后，还要进行软件系统设计。在C语言文件中编写C程序进行SoPC的编程[10]。平台工作总体算法流程如图4所示。平台接通电源，首先初始化进入自动清扫和手动遥控清扫二选一模式;当选择自动清扫模式时，通过键盘输入平台自动清扫工作时间，在清扫过程中通过传感器判断是否遇到障碍物或楼梯并进行处理。通过中断，时刻查询是否到达设置时间，如果没到，则程序返回运行;如果设置时间到，则程序结束，平台停止工作。当选择遥控清扫时，平台运动受操作者的控制。

通过硬件选型、搭建调试和软件语言的编写调试，成功地制作出了简易平台，实现了既定的各种功能。相比市场上的同类产品，其结构更简单、成本更低、灵活性和扩展性更强，为研究者开发更多功能提供了一个硬件支持的平台，具有实用价值。随着微处理器的不断进步和传感技术的发展，其性能可不断改进，成本也可不断下降。但在仿真和实现过程中发现其具体的流程算法不够严谨，日后有必要继续对其进行改进。