基于CPLD的智能小車循跡

總結(jié)資料總結(jié)資料**大學能源與動力工程學院本科生課程設計題 目： 智能小車循跡控制系統(tǒng)課 程： 電子技術 專業(yè)：班級：學號：姓名：指導教師： X老師 完成日期：20**年11月26日總結(jié)資料總結(jié)資料總結(jié)資料目錄任務及要求TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"課程任務及其功能 3設計要求 3\o"CurrentDocument"課程設計的時間安排 3整體方案及特點智能小車循跡總體方案 4\o"CurrentDocument"設計的思路及其特點 4各組成部分的電路結(jié)構及工作原理紅外循跡模塊設計 4電源模塊設計 6CPLD模塊設計 6\o"CurrentDocument"驅(qū)動模塊設計 7直流電機 8系統(tǒng)硬件電路設計 10CPLD控制模塊內(nèi)個單元模塊的設計PWM10主要控制模塊 11CPLD控制模塊的頂層電路圖TOC\o"1-5"\h\z原理圖 14仿真波形 14系統(tǒng)總裝配圖 15實驗照片 15實驗結(jié)果分析 16調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決 16改進意見及收獲體會 17器材 17使用儀器設備 18參考文獻 18一、任務及要求1、課程任務及其功能設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、設計要求（1）要求用可編程邏輯器件（FPGA/CPLD）設計實現(xiàn)；（2）在實驗箱上或印刷電路板上安裝、調(diào)試出所設計的電路；（3）在￡口人編程實驗系統(tǒng)上完成硬件系統(tǒng)的功能仿真；（4）寫出設計、調(diào)試、總結(jié)報告。3、課程設計的時間安排1）方案設計；（1.5天）根據(jù)設計任務書給定的技術指導和條件，進行調(diào)查研究、查閱參考文獻，進行反復比較和可行性論證，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。電路設計：（2天）根據(jù)方案設計框圖，并畫出各單元電路的詳細電路圖及總體電路圖。電路仿真：（2.5天）

熟悉￡口人工具，在￡口人軟件平臺上修改設計的電路，給出正確的仿真結(jié)果。裝配圖設計：（1天）根據(jù)給定的元器件，結(jié)合邏輯電路圖，設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）對選定的設計，按裝配圖進行裝配，調(diào)試實驗。6）總結(jié)鑒定：（1天）考核樣機是否全面達到現(xiàn)定的技術指標，能否長期可靠地工作，并寫出設計總結(jié)報告。二、整體方案及特點1、智能小車循跡總體方案電源模塊CPLD二、整體方案及特點1、智能小車循跡總體方案電源模塊CPLD控制模塊 > 尋跡信號”紅外尋跡模塊驅(qū)動模塊 -左” “右直流電機2、設計的思路及其特點在智能尋跡小車控制系統(tǒng)的設計中，以CPLD為核心，用L298N驅(qū)動兩個減速電機，當產(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較器LM339返回到CPLD,然后CPLD根據(jù)程序設計的要求做出相應的判斷送給電機驅(qū)動模塊，讓小車來實現(xiàn)前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等基本功能。三、各組成部分的電路結(jié)構及工作原理1、紅外尋跡模塊的設計（1）電路結(jié)構發(fā)射部分 接收部分（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較器LM339,先將輸出電壓與2.5V進行比較（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、電源模塊的設計利用L298穩(wěn)壓管輸出一路電壓，供給單片機和電機驅(qū)動，還供給尋跡模塊。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控制模塊設計此部分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)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、10資源豐富、易于進行功能擴展。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，小車應左小拐彎。3)左大拐彎當只要左端第1個傳感器檢測到黑線，右端2個傳感器檢測到白色時，小車應左大拐彎。右小拐彎當只有右端第2個傳感器檢測到黑線，其余3個傳感器檢測到白色時，小車應右小拐彎。右大拐彎當只要右端第1個傳感器檢測到黑線，左端2個傳感器檢測到白色時，小車應右大拐彎。6)停車當4個傳感器同時檢測到黑線或其他情況，小車停車。

4、驅(qū)動模塊設計（1）電路圖三W七1色吟］M1至呈葉1 I厚格白u!-lT」Ld-三W七1色吟］M1至呈葉1 I厚格白u!-lT」Ld-（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加入了電機驅(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，接收標準丁北邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。其引腳排列如下圖所示，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。（5、10）、（7、12）腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，總結(jié)資料總結(jié)資料- - - - 總結(jié)資料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)快速停止LXX停止其引腳圖如圖1所示:CURRENTSENSING□OUTPUT4OUTPUT3IWPUT4EMA臼LE□INPUT'3LOGICSUPPLYVOLTAGEVssGNDINPUT2ENABLEAINPUT1SUPPLWOLrAlGEV3OUTPUT2OUTPUT1CURRENTSLMS.INeA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T北電點平對A橋的輸出OUT1、OUT2進行控制。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T兀電平對8橋的輸出OUT3、OUT4進行控制。第13、14腳：8電機輸出端口。5、直流電機

（2）原理因為一個驅(qū)動芯片L298N可驅(qū)動兩個直流電機，可我們這次購買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。四、系統(tǒng)硬件電路設計（各模塊的硬件連接關系）電源模塊CPLD控制模塊電源模塊CPLD控制模塊驅(qū)動模塊尋跡信號直流電機紅外尋跡模塊五、CPLD控制模塊內(nèi)各單元模塊的設計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CLM PUMOUTAt3._0]PWM是建立在十進制加減計數(shù)器上的分頻結(jié)構，在CLK上升沿從0~9的X圍內(nèi)計數(shù)個數(shù)小于人時輸出高電平’1’，否則輸出‘0’，其相當于速度控制單元。（3）仿真波形（1）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）當小車需要正常前進時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應等于右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速。2）當小車需要左小拐時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應略小于右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速。3）當小車需要左大拐時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應比右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速小得多。4）當小車需要右小拐時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應略大于右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速。5）當小車需要右大拐時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應比右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速大得多。6）當小車需要停止時，左側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速和右側(cè)兩個電機的轉(zhuǎn)速應都為零。(2)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;(3)原理圖P1~P4分別對應小車從左到右四個傳感器，’1’電平表示壓線‘0’表示正常，若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。CTL :FlFSTEMF1[3__P3TEMPE[3__G]~pq（4）仿真波形Name:temp?R—300nsBQU01::1iOOfl K1Q01KwooKiofli【 必1 洪胸；1QOO 匕QQ01D 叩11 X 0叩i 盆 io叩{QQQQ；B1001六、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P1P2P3P4=0100時，表示左輪壓線且需要往左小拐彎，這時TEMPI=0011,TEMP2=1000。反應在PWM的作用為：輸出口的占空比大于1的，即8/3倍，也就是口與1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、仿真波形七、系統(tǒng)總裝配圖

八、實驗結(jié)果（照片）九、實驗結(jié)果分析總結(jié)資料總結(jié)資料- - - - 總結(jié)資料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，故我們設計的程序還有待進一步的改進。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。十、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行修改，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)試剛開始的時候，我們在檢測到直線時用了100%的占空比，而在轉(zhuǎn)彎時則把相對應的占空比進行改變，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，在多次的測試后小車終于能順利的沿著跑道跑了。十一、改進意見及收獲體會1、改進意見（1）最大的不足：驅(qū)動模塊控制前進方向的插條被固定為一定的高低電平，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）再好的電路都應該考慮干擾問題，在編寫程序時，我們都是想當然的在理想環(huán)境下，始終沒有考慮硬件造成的干擾的問題。事后，我認為應該考慮干擾問題，在程序中加入延時，使問題解決。

2、收獲體會通過本次課程設計，我學到了很多。首先是掌握了用MAX+PLUS2軟件設計電路的較為熟練的應用。從最開始的源程序的輸入，到波形圖的生成與仿真，再到生成gdf格式的原件，最后應用層次化設計電路的思想調(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MAX+PLUS2軟件但遠沒達到實際應用的地步。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習時想的少，自己動手少。剛開始下載完程序，裝上集成塊后小車并不是按原定程序運行而是