基于FPGA的篮球机器人运动控制系统设计.pptx

基于FPGA的篮球机器人运动控制系统设计;主讲内容;篮球机器人简介; 一个完整的机器人系统应具备视觉、决策、无线通信，以及最终作用于底层的运动控制子系统。 ;FPGA控制系统处理器单元设计; 篮球机器人的控制系统可以说是FPGA控制系统处理器单元的设计，主要包括： 1. 控制器选型 2. 时钟电路设计 3. FPGA 配置电路设计;1. 控制器选型 处理器单元是机器人底层运动控制系统电路的核心单元，篮球机器人的控制指令均通过处理器单元处理和执行。处理器的运算能力和执行速度制约着系统的整体性能。 所以选择一款合适的处理器需要考虑很多因素，包括： a. 处理器本身的参数和性能； b. 处理器的开发环境； c. 各公司对各自处理器资料提供的详细情况和技术支持等情况。; 基于以上要求，该系统选用Altera 公司的Cyclone 系列FPGA 作为我们篮球机器人底层系统的核心控制器件。;该控制器具有以下主要特性： (1) 新的可编程体系结构，实现低成本设计。 (2) 嵌入式存储器资源支持多种存储器应用。 (3) 提供专用外部存储器接口 (4) 装配有时钟管理电路。 (5) 支持Nios II 系列嵌入式处理器。;2. 时钟电路设计 时钟是所有数字电路的“心脏”，Cyclone 系列FPGA 内置2 个模拟锁相环模块（PLL），可以对全局时钟输入管脚clk0 ～ 3 的信号进行倍频和分频。 所以，设计时只需在FPGA 外部加入一个频率较低( 50 MHz)的有源晶振，把其生成的时钟信号通过全局时钟管脚引入FPGA 内部的PLL，通过PLL 倍频后进全局布线资源送入逻辑区域。 外部较低的时钟不仅简化了PCB设计，而且减小了高速时钟信号所带来的辐射，提高了系统的EMC 特性。;3. FPGA 配置电路设计 配置，又称为加载或下载(USB-Blaster烧写器)，是对FPGA 的内容进行编程的一个过程。底层运动控制系统在正常工作时，配置数据保存在SRAM 单元中，这个SRAM 单元也被称为配置存储器。 Altera 的FPGA 可以支持多种配置模式，配置都是通过主机或配置芯片来完成的。; 我们篮球机器人采用的是主动串行模式( AS Mode) ，该配置模式需要串行配置器件。 串行配置器件由Altera 公司提供，存储容量的范围从1 ～128 Mb 不等，由Quartus II 软件对配置芯片进行编程，编程成功后生成.pof 可下载文件，通过烧写电缆载入串行配置器件，此后每次底层运动控制系统上电后，FPGA 主动读取串行配置器件内部的配置数据，完成配置过程。;电机驱动电路设计; 由FPGA 输出四路PWM 信号，信号经过电耦隔离控制四个MOSFET 开关，推动直流电机运转。 所以调整PWM 信号的开关顺序和占空比可以改变电机的方向和转速。;FPGA简介; FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）， 内部包括： 可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）； 输入输出模块IOB（Input Output Block）； 内部连线（Interconnect）。; 基本特点： 1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5）FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 ;语言： 目前主流的语言包括： Verilog HDL和VHDL 下面给出了用VHDL编写的二-四译码器的程序。 ;LIBRARY STD USE STD.STD_LOGIC.ALL ENTITY decode IS PORT(a,b,EN:IN STD_LOGIC; Q0,Q1,Q2,Q3:OUT STD_LOGIC); END decode ARCHITECTURE structural OF decode IS COMPONENT inv /