本項目基於FPGA
，以FPGA為核心，製作一個電動小車控製器，使小車能夠自動沿一個寬30cm
，長160cmdeqiaoqiaobanxunjixingshi，bingnengtiaojiexiaocheweizhishiqiaoqiaobanqingxiemouyishedingjiaodu
，baochijingzhipingheng。danglingyouwailishiqiaoqiaobanshihengshi，xiaochezidongxunzhaoxindepinghengdian，shiqiaoqiaobanzhongxindadaopingheng。rutu1、圖2所示。係統靜態誤差小於1度，超調量小於10％。項xiang目mu製zhi作zuo中zhong
，將jiang通tong過guo理li論lun研yan究jiu和he反fan複fu實shi驗yan對dui控kong製zhi算suan法fa和he控kong製zhi參can數shu進jin行xing優you化hua力li求qiu達da到dao最zui快kuai調tiao節jie速su度du和he最zui小xiao誤wu差cha
，為wei控kong製zhi工gong程cheng提ti供gong一yi個ge真zhen實shi的de物wu理li仿fang真zhen實shi驗yan裝zhuang置zhi。

 

圖一
 

圖二

 

 

 

本ben項xiang目mu於yu前qian期qi已yi做zuo了le較jiao為wei充chong分fen的de理li論lun準zhun備bei工gong作zuo，經jing過guo理li論lun推tui導dao
，建jian立li了le受shou控kong對dui象xiang和he控kong製zhi係xi統tong的de數shu學xue模mo型xing，研yan究jiu和he比bi較jiao了le係xi統tong的de相xiang關guan控kong製zhi算suan法fa。項xiang目mu車che體ti部bu分fen、光電傳感器部分、電機驅動部分、角度傳感器部分、信號調理放大電路、電機驅動電路、係(xi)統(tong)供(gong)電(dian)電(dian)路(lu)等(deng)部(bu)件(jian)均(jun)已(yi)設(she)計(ji)製(zhi)作(zuo)完(wan)成(cheng)

，有(you)關(guan)的(de)外(wai)圍(wei)電(dian)路(lu)印(yin)製(zhi)板(ban)也(ye)已(yi)焊(han)接(jie)調(tiao)試(shi)成(cheng)功(gong)
，並(bing)分(fen)別(bie)通(tong)過(guo)調(tiao)試(shi)。目(mu)前(qian)正(zheng)在(zai)對(dui)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)和(he)改(gai)進(jin)，並(bing)著(zhe)手(shou)編(bian)寫(xie)程(cheng)序(xu)，待(dai)獲(huo)得(de)FPGA開發平台後，即可開始程序調試及係統聯調實驗。

 

 

本項目的關鍵技術在於利用FPGAdekuaisushujuchuligongnenghefengfulinghuodejiekouziyuan

，jianliyigenengduixiaocheqiaoqiaobanxitongjinxingkongzhideyingjianpingtai，zaicijichushangyanjiugezhongkongzhisuanfa
，yingyongshiyanpingtaiduikongzhisuanfajinxingyanzheng，duiqiaoqiaobandefeiwendingpinghengzhuangtaijinxingyouxiaodekongzhi，shizhichuyupinghengjingzhizhuangtaibingnenggoubaochi。benxiangmudeshoukongduixiangshiyigefeixianxinggaojiexitong，zaikongzhilingyuzhongshirenmenganxingqueryounanyibeikongzhideguocheng，qixiangguanyanjiujielunkeyingyongyufeixingqizitaikongzhi
、機器人平衡控製等方麵，涉及非線性信號處理
、非線性控製、控製參數自動優化等技術。

 

本項目的創新點在於，把FPGA的高速並行數據處理特性綜合應用到了一個在控製領域中人們所感興趣而又難以被控製的非穩定受控過程中，利用FPGAweikongzhixitongyanjiutigongleyigetongyongxinghao

，lianjiaershiyongdeshiyanpingtai，weililunyanjiujieguojianliyigeshiyanwuzhitiaojian，zengqianglilunheshijiandexiangjiehe。tongshi
，gaixiangmufuyouquweixinghezhishixing
，keyijifagengduodianziaihaozhedexingqu
，kuodaFPGA的應用層麵。

 

 

xiaochepinghengtaidekongzhileisiyudaolibai，danyouyousuobutong。daolibaikongzhiyijingyoujiaoduodeyanjiu
，bingyiyingyongyujiqirenpingheng，feixingqizitaikongzhideng。lilunheshijiandouzhengmingxitongshikeshixiande。xiaochedekongzhicaiyangzhouqidayuehaomiaoshuliangjijiukemanzujibenyaoqiu，suoyi，FPGA的速度完全可以滿足要求。而FPGA所(suo)具(ju)有(you)的(de)靈(ling)活(huo)的(de)邏(luo)輯(ji)組(zu)合(he)配(pei)置(zhi)
，足(zu)以(yi)完(wan)成(cheng)小(xiao)車(che)運(yun)行(xing)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)控(kong)製(zhi)邏(luo)輯(ji)和(he)運(yun)行(xing)協(xie)調(tiao)。係(xi)統(tong)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)各(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)及(ji)其(qi)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)電(dian)路(lu)已(yi)經(jing)調(tiao)試(shi)成(cheng)功(gong)。這(zhe)些(xie)先(xian)行(xing)工(gong)作(zuo)和(he)已(yi)成(cheng)熟(shu)技(ji)術(shu)為(wei)係(xi)統(tong)的(de)成(cheng)功(gong)實(shi)現(xian)提(ti)供(gong)聯(lian)保(bao)證(zheng)條(tiao)件(jian)。在(zai)可(ke)靠(kao)性(xing)方(fang)麵(mian)，係(xi)統(tong)各(ge)部(bu)件(jian)之(zhi)間(jian)的(de)連(lian)接(jie)將(jiang)采(cai)用(yong)高(gao)可(ke)靠(kao)的(de)連(lian)接(jie)器(qi)件(jian)，並(bing)用(yong)熱(re)封(feng)膠(jiao)密(mi)封(feng)
，機(ji)械(xie)緊(jin)固(gu)件(jian)采(cai)取(qu)鎖(suo)緊(jin)措(cuo)施(shi)。由(you)於(yu)係(xi)統(tong)不(bu)與(yu)外(wai)界(jie)電(dian)氣(qi)連(lian)接(jie)，不(bu)存(cun)在(zai)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)幹(gan)擾(rao)，因(yin)此(ci)不(bu)考(kao)慮(lv)使(shi)用(yong)光(guang)電(dian)隔(ge)離(li)。在(zai)軟(ruan)件(jian)方(fang)麵(mian)，采(cai)用(yong)看(kan)門(men)狗(gou)定(ding)時(shi)器(qi)，保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)程(cheng)序(xu)跑(pao)飛(fei)後(hou)能(neng)夠(gou)自(zi)動(dong)恢(hui)複(fu)運(yun)行(xing)。

 

圖3

 

 

 

係統框圖如圖3所示
，主控循環程序每隔一個采樣周期從FPGA接(jie)口(kou)中(zhong)讀(du)取(qu)各(ge)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)數(shu)值(zhi)
，並(bing)經(jing)過(guo)處(chu)理(li)後(hou)獲(huo)得(de)小(xiao)車(che)的(de)運(yun)行(xing)狀(zhuang)態(tai)，根(gen)據(ju)小(xiao)車(che)的(de)當(dang)前(qian)狀(zhuang)態(tai)采(cai)取(qu)相(xiang)應(ying)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)計(ji)算(suan)出(chu)電(dian)機(ji)所(suo)需(xu)的(de)控(kong)製(zhi)電(dian)壓(ya)值(zhi)，進(jin)而(er)
，該(gai)控(kong)製(zhi)電(dian)壓(ya)值(zhi)經(jing)過(guo)PMWchulihoushuchudaoxiaochequdongdianji
，shixiaocheanzhaoxiwangdeguilvyundong。weileshichengxuliuchengqingxijianjie，kuangtuzhongyiyigebiaozhixinhaolaijiluxiaochesuoyunxingdejieduan，kongzhiqizegenjuxiaochesuochudeyunxingjieduanjinxingxiangyingdekongzhi。

 

 

 

 

根(gen)據(ju)本(ben)係(xi)統(tong)所(suo)需(xu)達(da)到(dao)功(gong)能(neng)要(yao)求(qiu)和(he)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)，係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)完(wan)成(cheng)傳(chuan)感(gan)器(qi)模(mo)擬(ni)量(liang)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)和(he)光(guang)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)電(dian)平(ping)數(shu)據(ju)的(de)采(cai)集(ji)，需(xu)要(yao)對(dui)采(cai)集(ji)的(de)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)和(he)輸(shu)出(chu)，需(xu)要(yao)對(dui)小(xiao)車(che)的(de)狀(zhuang)態(tai)進(jin)行(xing)判(pan)斷(duan)和(he)控(kong)製(zhi)等(deng)。Spartan-3E芯片（XC3S500E-4FG320C）具有速度高
，接口豐富等特點
，根據係統要求和所要完成的功能
，Spartan-3E芯片（XC3S500E-4FG320C）配以相應的開發環境，完全可以完成係統控製要求，且價廉實惠，開發過程快捷，簡單易行。為了能夠使用Spartan-3E初級板，本項目需要與Spartan-3E初級板相配套的開發軟件和編譯調試工具和環境。

 

 

在本方案中需要研製、開發的功能主要模塊，以及開發的方式

 

本方案中
，所要研製的硬件模塊包括：1）尋跡用紅外光電傳感器模塊及其波形整形電路，2）用於檢測小車運行位移和速度的紅外光電編碼器模塊，3）用於為不同元件提供不同電壓的電源變換模塊
，4）用於檢測小車傾角的角度傳感器信號調理模塊，5）用於驅動直流伺服電機的驅動模塊，6）用於顯示係統狀態和輸入指令的人機界麵模塊，7）AD轉換模塊，8）碰觸檢測模塊，8）在擴展功能中，用於擴大檢測小車狀態的視頻處理模塊

，等等。

 

軟件係統中也按模塊編程，包括：1）人機交互模塊

，2）電機驅動PWM運算模塊
，3）平衡控製計算模塊，4）運行軌跡尋找與跟蹤模塊
，信號檢測及標度模塊，5）係統協調模塊

 

 

該gai項xiang目mu將jiang完wan成cheng小xiao車che的de自zi動dong尋xun跡ji和he平ping衡heng控kong製zhi，平ping衡heng保bao持chi時shi間jian可ke按an照zhao要yao求qiu任ren意yi設she定ding。小xiao車che在zai引yin導dao線xian的de引yin導dao下xia自zi動dong登deng爬pa蹺qiao蹺qiao板ban，並bing在zai平ping衡heng位wei置zhi達da到dao靜jing態tai平ping衡heng。從cong登deng陸lu蹺qiao蹺qiao板ban到dao進jin入ru平ping衡heng狀zhuang態tai所suo需xu時shi間jian不bu大da於yu20秒。係統靜態誤差小於1度
，超調量小於10％。在基本功能實現的情況下，將進一步優化參數，提高運行速度和減少調節時間和靜態誤差。

 

 

1.設計輸入輸出功能子板

子板功能為：1）產生係統所需的各種電壓，為係統各部件提供電源。2）為角度傳感器提供參考電源，對角度傳感器的輸出信號進行放大調理，並進行AD轉換，得到與角度成比例的數字信號。3）將紅外光電傳感器的電壓信號整形為標準邏輯電平。4）將控製信號放大
，為直流電機提供驅動能力。

 

子板接口為標準pin口
，使用標準接插件。

 

2.測試設備

PC機、萬用表、直流穩壓電源

、秒表
、卷尺、量角器等

 

3.方針、開發工具

Spartan-3E初級板
，ISE9.1，Modesim se，EDK9.1，Synplify pro，Chipscope pro9.1


相關推薦閱讀：

我愛快包——電子工程師的外快錢包