摘要： 本設計以SoPC套件E-Play-1c12上配置的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8為控制單元，加以直流電機、光電傳感器、超聲波傳感器和電源電路以及其他電路構(gòu)成。控制小車在尋軌區(qū)能夠沿黑線行駛，并能在相應的區(qū)域加/減速，進入尋光區(qū)后開始在光源的引導下到達終止線停止。同時，在小車行駛過程中車首點陣式液晶滾動顯示字幕，實時顯示小車行駛的時間及路程。

SoPC（System on a Programmable Chip）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。首先它是片上系統(tǒng)，即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁剪、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能［1］。SoPC技術(shù)是將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)（包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、存儲電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)等）在單一FPGA中嵌入實現(xiàn)。因此，可以使得整個設計在規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護及其硬件升級等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化［2］。從未來電子系統(tǒng)設計技術(shù)走勢上看，SoPC技術(shù)更具發(fā)展性和前瞻性，被稱為“半導體產(chǎn)業(yè)的未來”［3-4］。

1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)設計要求小車由起始端出發(fā)沿黑線行駛，在測到第一條黑線后有明顯的加速，測到第二條黑線后有明顯的減速，測到第三條黑線后開始尋光，測到第四條黑線后停止。在行駛過程中，車首液晶顯示屏實時顯示小車運行的時間和路程。下面給出兩種方案：

（1）方案1：使用8051系列的單片機芯片。8051系列的單片機芯片使用多年，在市面上應用廣泛。各種電路也比較成熟，但其速度相對較慢，指令都是串行執(zhí)行，在增加液晶顯示等模塊后使得CPU對檢測電路的掃描變慢。

（2）方案2：使用E-Play-SoPC開發(fā)套件上的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8。FPGA運算速度很快，且其進程以并列的形式執(zhí)行，即使增加更多的功能模塊（在FPGA芯片的資源范圍內(nèi)）也絲毫不影響對檢測信號的響應速度［5］。

比較兩種方案，為使小車平穩(wěn)運行且功能更加智能化，選擇了方案2。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主要由控制核心FPGA、尋軌電路、尋光電路、測障電路、液晶顯示模塊、電機驅(qū)動電路、LED指示燈指示模塊、語音提示模塊和點陣顯示模塊組成［6］。

2 硬件設計

2.1 尋軌電路

尋軌電路采用兩對紅外線傳感器，當傳感器未檢測到黑線時，紅外線接收管相當于短路，比較器負向端的電位在4 V左右；當檢測到黑線時，紅外線接收管相當于開路，比較器負向端的電位在2 V左右。因此，將比較器正向端電位器的比較電位調(diào)到3 V即可實現(xiàn)對黑線的檢測。未檢測到黑線時電路輸出低電平，檢測到黑線時輸出高電平。其實現(xiàn)電路如圖2所示。

2.3 電機驅(qū)動電路

小車采用雙輪驅(qū)動，使用驅(qū)動芯片L293D，其工作電壓為9 V。電機驅(qū)動電路如圖4所示，引腳1和引腳9分別是電機輸出的控制引腳，當引腳1或引腳9為低電平時，無論引腳2、引腳7、引腳10、引腳15的輸入為何值，引腳3、引腳6、引腳11、引腳14的輸出都為低電平；當引腳1或引腳9為高電平時，引腳3、引腳6、引腳11、引腳14輸出的電平與引腳2、引腳7、引腳10、引腳15輸入電平的高低相應。

3 軟件設計

本文設計的小車中，基本運行程序可分為黑線計數(shù)模塊、尋軌模塊、尋光模塊以及計時模塊、路程測量模塊、液晶顯示模塊、LED指示燈指示模塊等輔助功能模塊。其行駛程序流程圖如圖6所示。

（1）尋軌模塊：在黑線數(shù)為0、1、2時執(zhí)行此模塊。當車底左端的傳感器檢測到黑線時，小車的左輪停止轉(zhuǎn)動，右輪按原速轉(zhuǎn)動；若右端的傳感器檢測到黑線，則反之。當黑線數(shù)為0、2時小車為減速狀態(tài)，通過對電機驅(qū)動芯片L293D的控制引腳輸出占空比為25%的方波信號實現(xiàn)。當黑線數(shù)為1時，小車運行在加速狀態(tài)，此時直接電機驅(qū)動芯片L293D的控制引腳輸出高電平。

（2）尋光模塊：當黑線數(shù)為3時運行本模塊，當光強檢測電路的檢測信號為高電平時認為左端的光照較強，小車左拐，反之右拐。

（3）路程測量模塊：在小車的車輪上有黑、白相間且間距相同的扇形花紋，當車輪轉(zhuǎn)動時車輪內(nèi)側(cè)的光電傳感器產(chǎn)生高低變化的電信號，經(jīng)過比較器比較產(chǎn)生脈沖信號，控制芯片通過對脈沖計數(shù)并與標定的數(shù)值相乘得出小車行駛的路程。

（4）LED指示燈指示模塊，車首兩端分別有3個顏色分別為紅、黃、綠的LED指示燈指示小車的速度，綠燈亮時小車行駛在高速區(qū)，黃燈亮時小車行駛在低速區(qū)，紅燈亮時小車到達終點停止。車前部兩側(cè)各有一個LED指示燈指示小車拐動方向，左拐時左燈亮，右拐時右燈亮。車尾有4個LED指示燈指示小車已測黑線的數(shù)量，每測一條黑線增加一個LED指示燈亮。

4 抗干擾措施

需要對黑線檢測和障礙物檢測的信號采取抗干擾措施。具體如下：當檢測到黑線或障礙物時，延時一段時間后再次檢測，若還是黑線或障礙物，則確定其為黑線或障礙物，否則認為其為干擾不予理睬［7］。具體實現(xiàn)程序如下：

PROCESS（a，clk）

VARIABLE m1，m2 ： INTEGER RANGE 0 TO 8191;

BEGIN

IF clk=′1′ AND clk‘EVENT THEN

IF a=″00″ THEN

m2：=0;

IF m1=8190 THEN

m1：=0;

IF a=″00″ THEN

r1《=′1′;

END IF;

ELSE

m1：=m1+1;

END IF;

ELSE

m1：=0;

IF m2=8190 THEN

m2：=0;

r1《=′0′;

ELSE

m2：=m2+1;

END IF;

END IF;

END IF;

END PROCESS;

5 仿真測試

仿真測試時序如圖7所示。其中，A所指示的位置為車底的兩個光電傳感器同時檢測到黑線，經(jīng)過去抖處理后黑線數(shù)目加1；B所指示的區(qū)域為高速區(qū)，小車高速行駛在此區(qū)域，當車底一側(cè)的光電傳感器檢測到黑線時，小車相應地調(diào)整軌跡使其沿黑線行駛；C所指示的區(qū)域為減速區(qū)，小車在此區(qū)域中行駛的速度較慢，約為高速區(qū)的1/4。

此區(qū)域中存在很多彎道，當車底一側(cè)的光電傳感器檢測到黑線時，小車也相應地調(diào)整軌跡沿黑線行駛；D所指示的區(qū)域為尋光區(qū)，小車進入此區(qū)域后立刻開始尋光并朝光線較強的方向行駛，小車在此區(qū)域中的速度與低速區(qū)相同；E所指示的位置為終點，當小車檢測到終點線后停止運行。由仿真圖可知，小車在理想情況下可順利地通過高速尋軌區(qū)、低速尋軌區(qū)、尋光區(qū)，并在檢測到終點線后停止運行。

FPGA的運算速度非常快，保證了小車的平穩(wěn)運行，且其并行執(zhí)行過程讓點陣式液晶顯示更加方便。FPGA在程序并行控制方面充分顯示了其優(yōu)越性，并且運行準確。今后將會對本設計進行擴展以及更進一步的開發(fā)。

參考文獻

［1］ 何偉，秦江云，張玲，等。基于SoPC的多用途無線監(jiān)控報 警系統(tǒng)［J］。電子技術(shù)應用，2011，37（2）：33-35.

［2］ 周渝斌。基于FPGA+DSP的智能車全景視覺系統(tǒng)［J］。電子技術(shù)應用，2011，37（3）：38-41.

［3］ POUSSIER S，RABAH H，WEBER S.SoPC-based embedded smart strain gage sensor［C］.12th International Conference， FPL 2002 Montpellier，F(xiàn)rance，2002：1131-1134.

［4］ Cao Liting，Jiang Wei，Zhang Zhaoli.Automatic meter reading system based on wireless mesh networks and SoPC technology［C］.Intelligent Networks and Intelligent Systems，ICINIS’09，Second International Conference，2009：142-145.

［5］ 雷伏容．VHDL電路設計［M］．北京：清華大學出版社，2007.

［6］ 徐惠民，安德寧．數(shù)字邏輯設計與VHDL語言描述［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［7］ 薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE9.x FPGA/CPLD設計指南［M］。北京：人民郵電出版社，2007.

編輯：jq