基于FPGA的智能超市手推车及应用

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引言

智能机器人是具有感知思维和行动功能的机器。要使机器人具有感知环境的能力，对环境变化做出适当的反应，实现智能化，就要采用传感器采集环境信息并用适当的信息融合方法将环境信息加以综合处理[1]。

基于FPGA(现场可编程门阵列)的智能超市手推车是把智能机器人领域的相关技术应用到了传统的超市手推车上，并结合了FPGA技术、射频识别技术以及多传感器接入技术为一体，使得传统的超市手推车具有智能机器人的特性，实现了手推车自动跟随用户购物，RFID(射频识别)电子钥匙开关等功能。利用FPGA的并行处理等方面的优势，可以很好地对多组传感器采集到的数据进行实时处理分析，综合控制小车的行动姿态，通过脉宽调制(PWM)，也可以控制小车行进中的跟随速度。利用FPGA在逻辑控制等方面的优势，实现对语音导购模以及RFID电子标签模块的综合控制作用。

FPGA的硬件资源极为丰富，预留的引脚接口众多，这也为小车日后功能的升级留有可能性。本文的创新点在于：对传统的超市手推车的智能化改造;利用FPGA的多传感器接入;电机PWM的数字控制精确度高;系统多功能，具有扩展性。

　　硬件介绍及系统原理

本系统实现了基于FPGA的超市手推车智能跟随购物的功能，为了实现小车对环境的感知与小车自动行使的功能，本作品采用了自顶向下的设计方法，分别针对不同的功能模块，设计了相应的IP核，在FPGA内部完成对数据的处理分析。由于系统采用模块化的设计思想，系统整体的实时性、可靠性都有所提高，并且功耗降低，体积也满足了设计需求。

　　硬件介绍

基于小车需要对周围环境信息的改变做出实时响应，系统采用了双红外线传感器与超声波传感器采集距离与方向信息，并将采集到的数据发送到FPGA，经过FPGA的处理，通过PWM控制减速电机驱动板产生电机的驱动信号，最终实现对电机的控制。另外，RFID电子标签作为智能小车唯一的开启钥匙，不但提高了小车使用的安全性，也提高了使用过程中的便捷性。图1所示为小车硬件设计的总体框图。

系统采用的红外线传感器是E18-D80NK反射式接近开关传感器，是一种集红外线发射与接受于一体的轻便型传感器，可以测量0~80cm之间的障碍物，广泛应用于障碍物监测、流水线计数、门禁系统等多种场合。传感器自带电位器旋钮，可调节监测距离，并可以输出TTL的检测信号给处理器。

系统采用的超声波传感器是SRF06型超声波传感器，这是一款带温度补偿、集超声波收发功能的全数字传感器。可提供3cm~3.5m的非接触式距离感测功能，包括超声波发射器、接收器与控制电路。该超声波传感器采用四引脚与外界通信，其中除去电源与地线以外，还有一个信号输入/输出引脚，分别用于启动传感器测距与发送测量信号。该产品具有品质好、超快响应、抗温度干扰、与极高的性价比等优点。

　　系统原理及结构设计

系统利用FPGA的可编程及硬件实现上的优点，最大限度地利用FPGA的硬件资源来代替传统软件编程的数据采集方法，保证了数据采集的准确、高效[2]。系统功能的实现由五个模块协同完成，包含了顶层模块、超声波启动信号发生模块、超声波接收信号模块、左电机PWM模块以及右电机PWM模块。系统采用FPGA开发板上提供的50MHz时钟作为全局参考时钟，通过FPGA内部的锁相环(PLL)对这一全局时钟进行分频处理，来满足对不同模块的时钟要求。由于电机供电需要12V电压驱动，而FPGA开发板以及传感器模块需要5V电压供电，系统采用了光耦器件作为电机驱动板的核心器件，有效地隔离了高电压(12V)可能对FPGA开发板及传感器模块造成的损害。不同的传感器需要有相应的信号驱动，这就利用了FPGA的可重复编程的特性，依靠VHDL硬件描述语言对加入的传感器编写对应的IP核模块，完成数据的综合采集、处理过程，也使得日后小车功能的升级更加便利。系统结构框图如图2所示。

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