智能環(huán)境清潔器由于可代替人進(jìn)行環(huán)境清潔工作，已日漸成為人們研究的焦點(diǎn)。雖然它們實(shí)現(xiàn)了智能，但大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高，不利于開(kāi)發(fā)者拓展其功能。在研究并總結(jié)市場(chǎng)上相對(duì)成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，本文基于可編程性強(qiáng)的FPGA設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于室內(nèi)的智能吸塵平臺(tái)。平臺(tái)具備自我導(dǎo)航、能清潔大部分空間，同時(shí)外形緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、噪音小。更重要的是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有人性化接口，便于操作和功能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

1 平臺(tái)總構(gòu)成

本文提出的平臺(tái)整體框架設(shè)計(jì)如圖1所示，用裝有四個(gè)輪子的小車作為整個(gè)平臺(tái)的載體。以FPGA控制器作為整個(gè)平臺(tái)的主控器，通過(guò)I/O與光電傳感器jk1、jk2、jk3、jk4及碰撞開(kāi)關(guān)jk5相連，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)障礙的檢測(cè);通過(guò)I/O輸出PWM波形，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器和高低電平的變化以驅(qū)動(dòng)LED的亮滅，組成聲光電路;通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)控制線來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)dj1、dj2和直流吸塵電機(jī)dj3，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的移動(dòng)和吸塵。

2 硬件主體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由FPGA主控芯片、光電傳感器、碰撞開(kāi)關(guān)、由2個(gè)STC89C52單片機(jī)控制的無(wú)線遙控發(fā)射模塊、兩種模式選擇芯片、聲光電路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、吸塵器電機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)的供電電路組成，如圖2所示。

2.1 FPGA芯片的選擇

根據(jù)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)，可以得出對(duì)芯片的基本要求：(1)需要最少6路PWM波形輸出。(2)需要一路串行通信接口。(3)需要較高的12 V轉(zhuǎn)化為3.3 V的實(shí)時(shí)芯片。(4)較高的處理速度。(5)I/O接口要多。

綜合考慮這些條件，采用Altera公司生產(chǎn)的CycloneII系列FPGA中的EP2C35F672C6型號(hào)基本可滿足要求。它具有出色的運(yùn)算速度，成本低且?guī)в蠨SP模塊，具有超大的內(nèi)部存儲(chǔ)器、多通道PWM輸出以及靈活的設(shè)計(jì)和多種語(yǔ)言的綜合運(yùn)用，性價(jià)比較高[1，2]。

2.2 配置電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)[3-6]

(1)電源電路：供電系統(tǒng)采用12 V電源作為輸入電源，利用L7805CV將其降壓為5 V，再由TPS37HD301將5 V轉(zhuǎn)化為3.3 V和1.2 V，F(xiàn)PGA的I/O端口供電點(diǎn)壓為3.3 V，內(nèi)核供電電壓為1.2 V。因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用控制器的5 V信號(hào)，而FPGA的端口電壓是3.3 V，必須將I/O電壓升壓到5 V，在這里利用的是74HCT245升壓芯片。

(2)時(shí)鐘和復(fù)位電路：時(shí)鐘電路中用ZPB-26-16 M作為有源晶振，頻率為16 MHz，使得串口波特率更加精確。同時(shí)可支持芯片內(nèi)部的PPL功能及ISP下載功能。復(fù)位電路采取硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。

(3)調(diào)試JTAG和下載電路：因?yàn)镕PGA內(nèi)部可以直接搭建軟核ISP和JTAG，硬件電路接一個(gè)IDC-10的JTAG接口。

(4)配置存儲(chǔ)電路：選用EPCS16作為FPGA的ROM，可以由下載電纜或其他設(shè)備進(jìn)行重復(fù)編程，也可以通過(guò)AS接口進(jìn)行在線系統(tǒng)編程。用FPGA芯片內(nèi)部自帶的4 MHz的On-Chip memory作為FPGA的RAM。

(5)傳感器和碰撞開(kāi)關(guān)：光電傳感器(光電開(kāi)關(guān))選用滬工集團(tuán)的E3F-DS5C4.P1R型號(hào)的光電開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)障礙和樓梯，此型號(hào)是圓柱型擴(kuò)散式最遠(yuǎn)距離5 cm、可調(diào)NPN型常開(kāi)光電開(kāi)關(guān)。碰撞開(kāi)關(guān)主要與前傳感器配合完成對(duì)平臺(tái)前的保護(hù)。當(dāng)平臺(tái)碰到前方障礙時(shí)，觸發(fā)開(kāi)關(guān)，使平臺(tái)躲開(kāi)障礙物。

(6)無(wú)線發(fā)送與接收模塊：選用匯睿微通XL02-232AP1型號(hào)無(wú)線模塊，XL02-232AP1是UART接口半雙工無(wú)線傳輸模塊，可以工作在433 MHz公用頻段，滿足無(wú)線管制要求。

(7)驅(qū)動(dòng)和吸塵電機(jī)：平臺(tái)采用前輪雙驅(qū)動(dòng)，電機(jī)選擇深圳步科公司生產(chǎn)的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，吸塵器電機(jī)采用直流電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的主要電器參數(shù)為：①步距角：1.8°;②相電流：0.87 A;③保持扭矩：0.24 nm;④相電阻：3.3 Ω;⑤相電感：5.0 mH;⑥重量：0.2 kg。

(8)聲光電路和自動(dòng)清掃時(shí)間輸入顯示電路：聲光電路主要由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，直接連FPGA，提醒平臺(tái)工作狀態(tài)。利用4個(gè)按鍵(確定、初始、上調(diào)、下調(diào))輸入清掃時(shí)間，再由三個(gè)數(shù)碼管顯示設(shè)定時(shí)間。清掃時(shí)間由FPGA內(nèi)部的定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)完成時(shí)，平臺(tái)即停止工作。

3 程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

將程序分為硬件程序設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分，硬件程序設(shè)計(jì)要對(duì)硬件電路進(jìn)行時(shí)序仿真以確定達(dá)到調(diào)試的效果。

3.1 硬件程序設(shè)計(jì)與仿真

平臺(tái)主要通過(guò)傳感器和碰撞開(kāi)關(guān)產(chǎn)生輸入信號(hào)，通過(guò)FPGA處理信號(hào)，最后FPGA把處理后的信號(hào)傳到電機(jī)，由電機(jī)來(lái)完成一系列的動(dòng)作，如表1所示。所以其邏輯設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)智能的關(guān)鍵。

結(jié)束硬件選型后，利用Quartus II搭建硬件原理圖，編譯后對(duì)jk1、jk2、jk3、 jk4進(jìn)行時(shí)序仿真，分析時(shí)序關(guān)系，估計(jì)設(shè)計(jì)的性能并檢查和消除競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)[7-9]。仿真結(jié)果如圖3所示。

時(shí)序仿真圖中，clk為輸入PWM信號(hào)，clr和en兩個(gè)模塊的片選信號(hào)是由FPGA的SoPC通過(guò)軟件C語(yǔ)言控制。當(dāng)jk1=0、jk2&jk3=1時(shí)，output(PWM控制信號(hào))會(huì)出現(xiàn)一段等于0之后產(chǎn)生20個(gè)波形。需要說(shuō)明的是：圖3(a)時(shí)序仿真圖中，output出現(xiàn)一段PWM后出現(xiàn)低電平后接著出現(xiàn)了20個(gè)PWM，說(shuō)明平臺(tái)在正常前進(jìn)遇到j(luò)k1=0、jk2&jk3=1時(shí)，會(huì)停車一段時(shí)間接著左拐或者右拐20個(gè)PWM角度。驅(qū)動(dòng)器用的是4細(xì)分，輸出1個(gè)PWM波形步進(jìn)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)0.45°,應(yīng)該旋轉(zhuǎn)90°但是波形個(gè)數(shù)為：n=(90/0.45)=200個(gè)，在此用20個(gè)代替200個(gè)說(shuō)明問(wèn)題(圖3(b)的波形個(gè)數(shù)都會(huì)以此情況說(shuō)明)。

由圖3(b)可以看到前段時(shí)間jk4為高電平，pwmout輸出正常脈沖，說(shuō)明此時(shí)平臺(tái)處于正常吸塵狀態(tài)。后段時(shí)間jk4變?yōu)榈碗娖?，pwmout時(shí)延后輸出一小段脈沖，說(shuō)明此時(shí)平臺(tái)檢測(cè)到樓梯，停車一段時(shí)間后調(diào)整方向。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)調(diào)試完成后，還要進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在C語(yǔ)言文件中編寫C程序進(jìn)行SoPC的編程[10]。平臺(tái)工作總體算法流程如圖4所示。平臺(tái)接通電源，首先初始化進(jìn)入自動(dòng)清掃和手動(dòng)遙控清掃二選一模式;當(dāng)選擇自動(dòng)清掃模式時(shí)，通過(guò)鍵盤輸入平臺(tái)自動(dòng)清掃工作時(shí)間，在清掃過(guò)程中通過(guò)傳感器判斷是否遇到障礙物或樓梯并進(jìn)行處理。通過(guò)中斷，時(shí)刻查詢是否到達(dá)設(shè)置時(shí)間，如果沒(méi)到，則程序返回運(yùn)行;如果設(shè)置時(shí)間到，則程序結(jié)束，平臺(tái)停止工作。當(dāng)選擇遙控清掃時(shí)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)受操作者的控制。

通過(guò)硬件選型、搭建調(diào)試和軟件語(yǔ)言的編寫調(diào)試，成功地制作出了簡(jiǎn)易平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了既定的各種功能。相比市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低、靈活性和擴(kuò)展性更強(qiáng)，為研究者開(kāi)發(fā)更多功能提供了一個(gè)硬件支持的平臺(tái)，具有實(shí)用價(jià)值。隨著微處理器的不斷進(jìn)步和傳感技術(shù)的發(fā)展，其性能可不斷改進(jìn)，成本也可不斷下降。但在仿真和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其具體的流程算法不夠嚴(yán)謹(jǐn)，日后有必要繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。