基于FPGA的红外循迹小车及计算器

FPGA实验报告

第一部分：红外循迹小车

一、实验要求：

要求设计设计一辆智能小车的传感器信号处理模块、电机驱动模块和控制模块等，与车上的传感系统以及电机驱动电路相配合，实现小车自主运动的功能，其中各个系统模块均用VHDL或Verilog语言描述并在FPGA芯片中实现，小车传感器安装位置如图（1）。

图（1）

小车启动后应循黑色轨迹运动，可直行、转弯，并能在较复杂路况下完成判断与通过。

二、方案设计

1、模块设计

小车的顶层文件主要由三大模块构成：产生时钟信号的时钟模块、对输入做出反应的控制模块、从控制模块接收信号并驱动电机的驱动模块。模块的联结方式如图（2）。

图（2）

时钟模块就是用计数器的方式对原始时钟信号分频得到想要的频率的时钟。下面主要详细描述驱动模块与控制模块。

2、驱动模块

驱动模块通过改变电机两个输入端的高低电平调节电机转动方向，通过改变pwm信号频率改变电机转动速度。在模块中通过计数器计数的方式产生占空比不是50%的较高频的PWM信号。

例如实验中用占空比为30%的PWM信号，并将其取反以得到占空比70%的PWM信号。若以in1、in2、pwm1为左轮的输入以及PWM信号；in3、in4、pwm2为右轮的输入以及PWM信号则让小车左转的Verilog语言描述为: in1=1;

in2=0;

pwm1=~F3_7;

in3=1;

in4=0;

pwm2=F3_7;

利用左右两轮的转速差实现转弯。

模块中设计了小车的4种运动方式：前进、左转、右转、后退，通过模块接收到的控制信号给出相应的输出。其封装图如图（3）。

图（3）驱动模块封装图

3、控制模块

（1）、循迹策略的选择：

本实验中小车的循迹策略主要有中间循迹与两侧循迹，其各自优缺点如下：中间循迹：

优点：小车一直在轨道上，转弯时不会发生冲出跑到的情况，轨道对小车的控制力较强；

缺点：小车传感器在轨道上的部分较多（一般情况下有4个接收管在轨道上方），对小车侧面的路况探测不够，导致一些较复杂的弯道，如井字弯不能很流畅地通过。

两侧循迹：

优点：小车对轨道某一侧的探测面很广，对同侧的井字弯可一次性通过； 缺点：由于小车对轨道另一侧没有探测，所以有可能冲出跑道。 综合考虑后决定使用中间循迹。

（2）、控制策略描述：

本段描述时以0、1、x 表示传感器的状态，0表示传感器下方为白，1表示传感器下方为黑，x 表示不关心这一位传感器的状态。

由于传感器较多，所以控制策略中很大程度用模糊控制，即不对输入的8位每一位都有要求，只要特定的几位达到了预定的状态即可触发电机状态的变化。几种一般的路况如图（4）所示。

图（4）

在一般路况中只要有中间黑（00x11x00）、两边黑（1xxxxxx1，用以通过井字弯）、全黑（11111111，用以通过十字弯）的情况即前进；

小车左偏（0x0xxx11）即右转； 小车右偏（11xxx0x0）即左转；

有了以上几种状况的判断后小车已经可以通过一般的直线、弯角、目标方向是正前方的十字弯以及靠得比较进的井字弯。

但若有较复杂的路况，如：十字弯的目标方向不是正前方而是左或是右；井字弯的两条线离得较远，直行过去靠边的传感器不能接触到。（见图（5）情况）

图（

5）

这两种情况都相当于对于十字弯的处理方法不是仅仅当全黑就向前，而是确保十字弯的3个方向都可以被探测一遍。具体策略是：小车前进，遇到全黑后仍向前，向前若遇到全白则后退，表示遇到了十字弯；后退到全黑时就向右转，即探测右边的分叉，有路则继续，没有路（即有探测到全白情况）则后退；退到全黑再向左，此时又回到第一次探测的正前方的路，也是没有路，遇到全白再后退；再退到全黑就向左，则可以探测左边的分叉。以上简单得说就是确定出口不在前方后就采取前进探路，遇白后退，遇全黑（回到十字路口）即向左。当然实际情况下可以将全黑适当放宽，如传感器有6到7个为0即可，以增加程序的鲁棒性。

自启动问题：Quartus中状态机有一启动的默认状态，一般为状态编号最小的那一个状态，可将此作为启动时的状态，此状态一直保持前进，直到遇到有传感器变为0则开始正常的循迹逻辑。

孤岛问题：若启动时在一孤岛上，则小车会先前进，遇到全白又后退，后方遇到全白又前进，如此往复。可对其中某个状态计数，达到一定次数后就不再试探，而是直接前进寻找其他路线。

（3）控制策略的实现

控制策略依靠状态机来实现。为了编写方便，每一种状态作为次态时只对应一种输出。编写程序时采用有3个always块的三段式写法，即第一个always块将次态赋给现态，第二个always块描述状态如何根据输入以及现态实现状态跳转，第三个always块描述每个状态作为次态时的输出。

若只有简单逻辑，即没有考虑较复杂路况时的状态机图为：

若考虑复杂路况，则状态机为：

三、实验结果与实验现象分析

使用的是15号小车。上车实验时若只用考虑简单情况的程序则已经可以通过“二校门”路线图。用考虑了复杂情况的程序也可通过特殊的弯道，但是小车整体的稳定性会变差，主要体现在走正常路线时有时会误判为进入了特殊路线，从而做出错误的动作。这主要是由于走直线时如果姿态不好就会走成S形路线，有可能会有传感器全为0的情况，从而引起误判。对于这个问题我主要有两点改进的想法，一是要保持小车稳定的姿态，即走直线不能总两边“碰壁”，走成“S”形路线，具体到程序上就是可以增加转弯的种类，让小车在前进状态转弯时左右轮均向前，利用差速转小弯，使其转弯的弧度变大；二是要增强对干扰状况的甄别，如在全黑状况中增加计数器，全黑达到一定时间才认为是有效的。

四、实验中出现的一些问题与解决方法及改进想法

1、前进走“S”形路线

主要是以改变转弯程度的方法解决，即让车前进时遇到转弯就左右轮都先前，增加转弯的弧度，从而既能微调，又能保持车头方向变化不大。

2、有时到直角弯虽然有转弯动作但仍会冲出

主要从两方面解决，一是增加控制模块的时钟频率，从50Hz提高到了100Hz，让小车判断更灵敏；二是转弯时让内侧轮反转，减小转弯半径。

3、小车不同转弯方式的转换问题

虽然实验中最终采用的是内侧轮不转的折中方式转弯，虽然这减少了状态数，增加了小车的稳定性，但在不同的情况下用不同的转弯方式仍是提高小车性能的好想法。若是想要通过传感器的输入来判断处在那种弯道不免有些困难而且及其容易误判，所以我设想的方法是每种转弯的方式作为一个状态（这是由于每

种状态做次态时只对应一种输出），并在状态中加入计数器，要转弯时先进行内侧轮正转的弧度最大的转弯方式，在这种状态一定次数（时间）后就转到内侧轮不转的转弯方式，若在这种状态又达到了一定次数就再转到内侧轮反转的转弯弧度最小的转弯方式。

这种方法的难点主要在于每种状态停留次数的设定以及何时将计数器清零。对于停留次数的确定主要只有通过实验来改进。计数器清零应该是在走到直线后进行，也就是当小车在前进状态一定时间后，于是前进状态也要有一计数器，用以判断进入了前进状态并将转弯状态计数器清零。前进状态中计数器清零应发生在进入任一转弯状态中。

五、体会与建议

1、Verilog语言作为硬件描述语言与C、C++等单纯编程的不同。主要是在其并行运行以及语言需要能够用电路真正的实现方面。

2、EDA软件使用的一些小细节、小技巧，如更改涉及状态机的.v文件后需要将由它生成的图形文件重新update一下。

3、由于小车和芯片数量的原因，导致有时会拿不到芯片，建议老师可以分配一组几个同学用一套或几套设备。

4、由于有很多不同的路线，很多同学一开始就开始考虑最复杂的情况，建议可以引导大家先从简单的图走起，一步一步增加功能。

5、开始时大家看到赛道没有感觉，认为走下来就行，对一些规则认识不清。如二校门图中有一排4个连着的井字弯，一些同学就认为从中间冲过去是“捷径”，但实际要求是必须能够一个一个通过4个弯。又如我在仿真检查时就将井字弯简单的当成了两个十字弯来处理，而没有强调一次性通过。建议老师开始时就集中讲清过各个弯的要求。

第二部分：数字计算器

一、实验要求

基于FPGA 实验板设计一个计算器，从键盘输入算术式，由FPGA 完成相应运算，并将运算结果显示在数码管上。该计算器可实现加、减、与、或、比较等运算。

二、方案设计

1、总体模块设计

计算器主要由输入模块、计算模块（alu）、输出显示模块组成。由于计算较为简单，并且为了减少输入输出接口的数量，将输入模块与计算模块合在一起。

主要思路是：设置以reg型变量s0，每输入一个数若是第一个就将s0清零并将输入赋予s0，若不是第一个数就s0=s0*10+input，输入操作符后，就将s0赋给alu的一个操作数num_a，操作符赋予alu的操作符op，再输入第二个数再像前面一样赋给s0，等输入“=”后将s0赋予另一个操作数num_b，并将运算的结果再赋给s0。整个过程中s0总是通过显示输出模块显示在数码关上的。这样就可以实现对显示的要求并能实现单个输入即时输出。

此外一次计算后还可以根据后面的输入决定是将s0的值赋给num_a再计算还是清零进行新的计算，从而实现连续输入连续计算的功能。

2、输入模块&计算模块

计算器的输入通过4*4键盘按键实现键盘原理图如图（6）。

图（6）

对按键的识别通过扫描实现，对{v1，v2，v3，v4}不断循环加入{0，0，0，1}、{0，0，1，0}、{0，1，0，0}、{1，0，0，0}四种扫描信号以扫描，若没有按键按下则{H1，H2，H3，H4}应该是{0，0，0，0}，若有按键按下，由于扫描频率很快，所以一定可以在按键按下期间扫描到按键所在的一列，这样H1~H4中属于按键所在行的就会呈高电平，根据此时{V1，V2，V3，V4}和{H1，H2，H3，H4}的值就可以确定按键的位置。

扫描是通过4进制计数器给出扫描信号，通过状态机，若是在某一列扫描到按键则给出按键信息，若没扫到则开始扫描下一列，如此循环。

但需要考虑的问题是按键的抖动问题，由于是机械按键，在按下的时候不可避免的会有按键抖动而造成多次接触从而读入多个数的情况，所有要有按键防抖的机制。

防抖机制是通过每次操作后都转入到wait状态等待一定时间（大约0.2秒）不再接收输入。这样不仅可以有效的防抖，而且可以实现如同现实键盘的一项功能，就是单按是一次输入，若长按超过一定时间就当成连续输入。

计算模块就是根据输入的数与输入的运算符得出结果。本次实验是将计算模块作为一个task供输入模块调用。

3、显示输出模块

显示模块仍是通过扫描利用人眼的视觉暂留来显示。选通信号依次是{1，0，0，0}、{0，1，0，0}、{0，0，1，0}、{0，0，0，1}，来使4个数码管依次点亮。通过对需要显示的数的整除、取模来获得它个位、十位、百位、千位的数值。每个数码管点亮时就显示相应位的数。需要注意的是数码管是共阴极，即需要发光的位置应为低电平。

4、其他一些附加功能的实现思路

（1）、16进制与10进制的切换

将10进制计算中*10、/10、%10改为*16、/16、%16即可实现16进制的计算，在显示模块需要增加A~F的编码。同时设置一转换的变量，低电平时使用10进制部分，高电平时使用16进制部分。使用时用拨码开关实现切换。

（2）、负号的输入、显示以及负数运算

负号的显示是利用闲置的第四个数码管来实现，结果为负时就显示负号。同时仍可用以拨码开关控制输入负数，开关为低电平时输入为正数，高电平时输入为负，再通过计算模块的判断来得出正确的结果。

三、实验结果与实验现象分析

程序下载到板上后可以完全实现上述功能。

四、实验中出现的一些问题与解决方法及改进想法

1、开始时我的输入模块与alu模块是分开的，但遇到的问题就是两者的接口key_value的值在变化后就一直维持不变直到下次变化，相当于人为的造成了连续读入，若要在此基础上改进我当时的思路是增加接口，以表示何时为有效值，何时无效，但这样就比较复杂，最终我的解决方法就是将输入模块与alu模块合在一起，每次都在有输入后才有操作，从而避免了多次读入。

2、一些改进想法

优先级计算的一些想法：一是可以将所有输入的数与操作符都存起来，计算时先按优先级重新排序，然后就执行顺序计算，这种方法的有点是实现比较简单，但缺点是有最大计算个数的限制。二是对输入的数即时运算，由于有5个优先级，最多输入6个数后就可以进行优先级判断并运算，这种方法就可以不限制操作数的个数。

五、体会与建议

1、实验中对器件工作原理的理解

由于实验中所用的输入输出方式都是第一次遇到，所以自己借阅了一些书籍并在网上查找了一些资料才加深了理解并有了一些思路。而且关于键盘输入的防抖的概念也是在资料的查找中才知道。

2、实验中计算器的功能添加

功能添加可由简到繁，在基本功能的基础上边增加功能边给模块增加接口。

3、一些建议

实验中感觉小车部分相对计算器部分比较紧，建议适当延长小车部分的时间，如将第一周周五的时间给小车。