基于FPGA的智能超市手推車及應用

引言

智能機器人是具有感知思維和行動功能的機器。要使機器工具有感知環(huán)境的能力，對環(huán)境變化做出適當?shù)姆磻瑢崿F(xiàn)智能化，就要采用傳感器采集環(huán)境信息并用適當?shù)男畔⑷诤戏椒▽h(huán)境信息加以綜合處理。

基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的智能超市手推車是把智能機器人領域的相關技術應用到了傳統(tǒng)的超市手推車上，并結合了FPGA技術、射頻識別技術以及多傳感器接入技術為一體，使得傳統(tǒng)的超市手推車具有智能機器人的特性，實現(xiàn)了手推車自動跟隨用戶購物，RFID(射頻識別)電子鑰匙開關等功能。利用FPGA的并行處理等方面的優(yōu)勢，可以很好地對多組傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行實時處理分析，綜合控制小車的行動姿態(tài)，通過脈寬調制(PWM)，也可以控制小車行進中的跟隨速度。利用FPGA在邏輯控制等方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)對語音導購模塊以及RFID電子標簽模塊的綜合控制作用。

FPGA的硬件資源極為豐富，預留的引腳接口眾多，這也為小車B后功能的升級留有可能性。本文的創(chuàng)新點在于：對傳統(tǒng)的超市手推車的智能化改造：利用FPGA的多傳感器接入：電機PWM的數(shù)字控制精確度高：系統(tǒng)多功能，具有擴展性。

硬件介紹及系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于FPGA的超市手推車智能跟隨購物的功能，為了實現(xiàn)小車對環(huán)境的感知與小車自動行使的功能、本作品采用了自頂向下的設計方法，分別針對不同的功能模塊，設計了相應的IP核，在FPGA內部完成對數(shù)據(jù)的處理分析。由于系統(tǒng)采用模塊化的設計思想，系統(tǒng)整體的實時性、可靠性都有所提高，并且功耗降低，體積也滿足了設計需求。

硬件介紹

基于小車需要對周圍環(huán)境信息的改變做出實時響應，系統(tǒng)采用了雙紅外線傳感器與超聲波傳感器采集距離與方向信息，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA。經過FPGA的處理，通過PWM控制減速電機驅動板產生電機的驅動信號，最終實現(xiàn)對電機的控制。另外，RFID電子標簽作為智能小車唯一的開啟鑰匙、不但提高了小車使用的安全性，也提高了使用過程中的便捷性。圖l所示為小車硬件設計的總體框圖。

系統(tǒng)采用的紅外線傳感器是E18-D80NK反射式接近開關傳感器，是一種集紅外線發(fā)射與接受于一體的輕便型傳感器，可以測量0～80cm之間的障礙物，廣泛應用于障礙物監(jiān)測、流水線計數(shù)、門禁系統(tǒng)等多種場合。傳感器自帶電位器旋鈕，可調節(jié)監(jiān)測距離，并可以輸出TTL的檢測信號給處理器。

系統(tǒng)采用的超聲波傳感器是SRF06型超聲波傳感器，這是一款帶溫度補償、集超聲波收發(fā)功能的全數(shù)字傳感器。可提供3cm-3.5m的非接觸式距離感測功能、包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。該超聲波傳感器采用四引腳與外界通信，其中除去電源與地線以外，還有一個信號輸入/輸出引腳，分別用于啟動傳感器測距與發(fā)送測量信號。該產品具有品質好、超快響應、抗溫度干擾、與極高的性價比等優(yōu)點。

系統(tǒng)原理及結構設計

系統(tǒng)利用FPGA的可編程及硬件實現(xiàn)上的優(yōu)點，最大限度地利用FPGA的硬件資源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)軟件編程的數(shù)據(jù)采集方法，保證了數(shù)據(jù)采集的準確、高效。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)由五個模塊協(xié)同完成、包含了頂層模塊、超聲波啟動信號發(fā)生模塊、超聲波接收信號模塊、左電機PWM模塊以及右電機PWM模塊。系統(tǒng)采用FPGA開發(fā)板上提供的50MHz時鐘作為全局參考時鐘，通過FPGA內部的鎖相環(huán)(PLL)對這一全局時鐘進行分頻處理，來滿足對不同模塊的時鐘要求。由于電機供電需要12V電壓驅動。而FPGA開發(fā)板以及傳感器模塊需要5V電壓供電，系統(tǒng)采用了光耦器件作為電機驅動板的核心器件，有效地隔離了高電壓(12V)可能對FPGA開發(fā)板及傳感器模塊造成的損害。不同的傳感器需要有相應的信號驅動、這就利用了FPGA的可重復編程的特性，依靠VHDL硬件描述語言對加入的傳感器編寫對應的IP核模塊、完成數(shù)據(jù)的綜合采集、處理過程，也使得日后小車功能的升級更加便利。系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

系統(tǒng)設計及工作原理

此部分對系統(tǒng)涉及到的頂層模塊、超聲波啟動信號發(fā)生模塊、超聲波接收信號模塊、左電機PWM模塊以及右電機PWM模塊的編寫及工作原理做了詳細的介紹。

頂層模塊設計

頂層模塊的主要功能是將以上提到的超聲波啟動信號發(fā)生模塊、超聲波接收信號模塊、左電機PWM模塊以及右電機PWM模塊連接起來，主要使用了元件例化語句使得各個獨立的功能模塊得以連接，成為一個完整的系統(tǒng)。另外，對紅外線傳感器模塊的控制也是在頂層模塊中實現(xiàn)，因為紅外線傳感器采集到的信號是一組開關量，在頂層模塊中可以很方便地將子模塊中采集到的信號量進行匯總分析，判斷小車的轉向。當小車檢測到左或右方向有遮擋時，遮擋一側的電機仍然是由超聲波信號強度來驅動，而另一側的電機則是被賦予一個高電平，意味著電機會被全速驅動，這樣小車就會前往受到遮擋的一側發(fā)生偏轉。如果安裝在小車兩側的紅外線傳感器都沒有受到遮擋，就會以超聲波傳感器的信號驅動前進。

超聲波啟動信號發(fā)生模塊解析

SRF06型超聲波模塊的啟動需要一個10μs的TTL高電平作為啟動信號，當超聲波模塊啟動以后，模塊內部會自動發(fā)送8個40kHz的方波，并自動檢測是否有信號返回。通過測量這期間的時間差就可以計算出物體與小車的距離。

clock是系統(tǒng)參考時鐘，時鐘頻率為50MHz，通過對這一時鐘信號進行分頻，可以把高速時鐘信號降低為與超聲波啟動信號一個數(shù)量級的IP核內部時鐘，這樣計數(shù)器在計數(shù)發(fā)送啟動信號時可減少系統(tǒng)資源的開銷。另一方面、由于超聲波的測距過程是一個實時不間斷的過程，因此超聲波也需要定時重復發(fā)送開啟信號，計數(shù)器的另一個功能就是控制信號發(fā)送的頻率間隔，這里定義的是在500ms檢測一次距離的數(shù)據(jù)。

超聲波接收信號模塊

超聲波接收信號的作用是對超聲波測距返回信號的接收，通過接收到的信號計算出物體與小車之間的距離，并將計算后的信號值發(fā)送到驅動電機的PWM模塊來動態(tài)調節(jié)電機的轉速，實現(xiàn)小車跟人速度的無級調節(jié)。其中，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。

超聲波接收子模塊功能的實現(xiàn)是依靠內部分頻器、計數(shù)器、狀態(tài)機以及發(fā)送器這些進程并行實現(xiàn)的。分頻器主要是為狀態(tài)機分頻出進程所需的參考時鐘，由于狀態(tài)機的狀態(tài)轉換主要是依靠超聲波信號發(fā)生模塊發(fā)出的使能信號作為狀態(tài)轉換標志，所以時鐘需要與發(fā)送的使能信號進行匹配后才能準備接受。

計數(shù)器在這個模塊的作用有兩個：其一，當接收信號端口接收到發(fā)送信號端口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)時，狀態(tài)機從idle空閑狀態(tài)跳轉到狀態(tài)1，在狀態(tài)l中，計數(shù)器啟動計數(shù)，直到接收信號接收端的數(shù)據(jù)發(fā)生跳轉，這時狀態(tài)機再次發(fā)生狀態(tài)的跳轉。由狀態(tài)1跳轉到狀態(tài)2，并關閉計數(shù)器，同時啟動發(fā)送器準備發(fā)送時間數(shù)據(jù)到PWM模塊。其二，計數(shù)器的男一個作用是對狀態(tài)機狀態(tài)3跳轉到初始狀態(tài)的控制，因為當數(shù)據(jù)傳遞到發(fā)送模塊以后、需要對狀態(tài)機及時復位，為更新的信號做好準備，這時使用了一個計數(shù)器在10個時鐘周期結束后，自動調整狀態(tài)機回歸到初始狀態(tài)。

發(fā)送器的作用主要是連接了控制電機轉速的PWM模塊、將通過計數(shù)器得到的時間數(shù)據(jù)以電機控制端口做實時的發(fā)送，并在每一次發(fā)送結束后自動清零。

電機PWM轉速控制模塊

PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在任意一個時刻，滿幅值的直流電是在有或無的概率出現(xiàn)的，只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換，讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小，如圖4所示。

電機PWM轉速控制模塊內部是由兩個分頻器、一個計數(shù)器以及一個數(shù)字比較器組成。分頻器1為數(shù)字比較器提供了所需的時鐘信號，由于控制信號的產生最終要通過光耦元件驅動電機轉速，而電機驅動板上的光耦元件是低速光耦，這里的分頻主要是考慮了對光耦能支持的最高速度進行了調整，保證了電機驅動信號的完整性。分頻器2為計數(shù)器提供了所需的時鐘信號，考慮到超聲波測量的距離范圍在3cm-3.5m之間，因此可以算出超聲波測距一次的最短與最長時間。根據(jù)這個時間，我們通過分頻器二控制了超聲波讀取數(shù)據(jù)的周期，這樣可以保證超聲波數(shù)據(jù)的有效性與實時性。

計數(shù)器的主要功能是捕獲來自超聲波接收模塊發(fā)出的電機控制使能信號，并啟動計數(shù)器工作，系統(tǒng)設計的PWM電機轉速調節(jié)是100級轉速調節(jié)，所以計數(shù)器采得的數(shù)值也會在0～100之間，當這一使能信號發(fā)生反轉，計數(shù)器自動停止工作，清零并將所記得數(shù)值發(fā)送到比較器一端。數(shù)字比較器是PWM控制的核心部分，通過將采得的數(shù)值與一個固定數(shù)值的比較，就可以調節(jié)高低電平的輸出寬度，這樣就達到控制電機轉速的目的。為了實現(xiàn)對小車的行徑路線的360°控制，我們分別對左右輪電機編寫了兩組PWM電機轉速控制模塊，獨立控制左右輪電機的轉速。

系統(tǒng)仿真結果

FPGA仿真為數(shù)字系統(tǒng)提供了與設計芯片功能等價的硬件原型，以接近實際運行速度的方式執(zhí)行設計模型。利用測試向量或通過真實目標系統(tǒng)產生激勵，驗證和測試芯片的邏輯功能，具有速度快，響應真實，并充分考慮了電路的時序要求。因此本設計中利用Xilinx公司的FPGA開發(fā)軟件ISE10.1對FPGA實現(xiàn)的各部分功能模塊進行功能仿真以及時序仿真，以驗證設計的正確性。

圖5所示為當超聲波傳感器的輸入端接收到10μs的TTL高屯平后，在超聲波傳感器內部會自動產生8個40kHz的方波信號，然后通過接收模塊接收到的反射波來產生一個高電平，這個高電平的時間就是超聲波測到的監(jiān)測距離，通過仿真，我們驗證了功能的實現(xiàn)。

本文利用Digilent公司的Basys開發(fā)板作為開發(fā)平臺，結合了多傳感器的接入與電機的控制、射頻識別模塊以及對超市小車的機械改造、最終實現(xiàn)了小車的自動跟隨購物，并在此基礎上附加了語音導購功能，圖6是經過改造的超市購物小車。

由于FPGA具有的可重構性、并行性、資源豐富等優(yōu)勢，小車在日后留有了很大的功能升級空間，比如加入圖像識別算法，實現(xiàn)只跟隨特定目標，解決人多時容易跟丟的問題：加入ZigBee或GPS定位模塊，解決室內或室外的定位以及自主歸位問題。另外，智能跟隨小車的應用也不僅局限于超市，只要是需要行李車的地方，如機場，高爾夫球場，或是需要導航服務的景區(qū)都可能是智能小車最好的應用場景。

小結

本文介紹了基于FPGA的智能跟隨小車實現(xiàn)及其應用，利用現(xiàn)有的傳感器技術、智能控制技術、以及FPGA的硬件可編程技術，實現(xiàn)了小車在超市、機場等場景的應用，具有簡單智能、方便實用的特點，為人們的購物、旅行提供便利，添加樂趣。由于時間關系，系統(tǒng)僅實現(xiàn)了最基本的自動跟隨用戶功能，相信在日后研究中，可以增加更多有趣的功能，更深度的利用FPGA的硬件資源，做出更加完善的系統(tǒng)。