基于FPGA的室内智能吸尘平台设计与实现

摘 要： 采用FPGA、多种传感器和其他硬件协同工作的方法；在硬件的选型、仿真和组装，软件的设计、编程与调试等方面做了大量的实验。通过实验找到了软硬件中存在的问题并进行了改善。得到了一个具有遥控和自主吸尘功能、结构简单、成本低、能够智能躲避障碍物的基于FPGA的室内智能吸尘平台。
关键词： FPGA；室内智能吸尘平台；Quartus II；Nios II

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]