使用FPGA的自行車輔助系統(tǒng)

步驟1：硬件和材料

該項(xiàng)目分為3個(gè)主要小節(jié)：機(jī)械部分（“我們需要什么？”），電氣部分（“我們?nèi)绾卫墫|西？”）和軟件部分（“我們?nèi)绾问蛊涔ぷ鳎俊保?/p>

那么，我們需要什么？

用于機(jī)械部分的材料： （圖1 ）

-一個(gè)塑料盒

-金屬支架

-外部電源

-電纜扎帶

-1個(gè)鐵釘子

-易于彎曲的金屬線

-較輕

-鉗子

-鋁箔

-金屬支架

-粗針

-小號(hào)L型金屬支架（應(yīng)接近聲納傳感器的大?。?/p>

-和一輛自行車（顯然= D）

電氣部件的材料和硬件：（ 。2和3 ）

-Basys3開發(fā)板

-3 X Pmod MAXSONAR

-Pmod NAV

-Pmod BT2

-Pmod GPS

-3 X伺服電機(jī)

-2個(gè)LEDs

-2個(gè)電阻

-2個(gè)按鈕

-固定輸出線性穩(wěn)壓器（LM7805）

-電池9 V

-9V電池連接器

-引腳

-焊接板（我們的尺寸約為95 x 47 mm，然后將其切成小塊）

-電線

-便攜式智能手機(jī)電池充電器

軟件部分：

-Vivado Design Suite WebPACK（我們使用的是2016.4版本）

-Android Studio

步驟2：組裝物理組件

現(xiàn)在可以在自行車上組裝組件了！

任務(wù)1：在自行車上建立盒子并將其安裝

我們將塑料支架綁在自行車的后部。此步驟特定于一個(gè)人擁有的自行車的類型；如果您有一個(gè)自行車行李架，則可以簡化此操作（實(shí)際上，如果有，則只需跳過第一步，然后轉(zhuǎn)到第二步-不幸的是我們沒有一個(gè)，所以我們不得不即興創(chuàng)作）。

1。從后輪在保護(hù)翼上開4個(gè)孔，它們之間的距離分別為11厘米和2.5厘米。我們用鐵釘子和錘子打孔。鐵釘?shù)闹睆綉?yīng)足夠大，以使電線穿過孔。我們必須用一塊木頭支撐它，以防止后輪被釘子刺穿。

2。在塑料盒中的四個(gè)長孔中，在長11厘米，寬2.5厘米的矩形的角處，以塑料盒為中心（圖4 ）。我們通過加熱一小部分金屬絲的尖端并刺穿塑料來制成孔。

3。將盒子裝到自行車上。我們使用金屬絲，方法是從末端上下顛倒插入，然后將金屬絲綁在中間以固定支架，并防止其移動(dòng)。金屬線應(yīng)更長一些，因?yàn)樯院髮⒂糜趯骞潭ㄔ诤凶又小?/p>

等一下！結(jié)果可以在圖中看到。 5 ：）

任務(wù)2：構(gòu)建對(duì)聲納Pmod的支持

因?yàn)槲覀儫o法直接在聲納上修復(fù)聲納Pmod伺服，我們?yōu)槠鋭?chuàng)建了一個(gè)支撐，該支撐將安裝在伺服電機(jī)的頭部。同樣，如果您要根據(jù)所使用的伺服器的類型以不同的方式執(zhí)行此步驟，則可以自由操作，盡管我們?nèi)詫⒚枋鋈绾我赃@種方式執(zhí)行此操作：

1。我們使用加熱的針尖在伺服器的十字旋轉(zhuǎn)頭上鉆了更大的孔。針應(yīng)足夠粗，以使您的線材穿過針孔。

2。用金屬線將金屬支架連接到伺服器的塑料輪上。

3。使用兩個(gè)束線帶將聲納傳感器固定在支架上，如圖圖6 所示。

任務(wù)3：將伺服器，聲納和支架安裝在盒

我們用膠帶和回形針將舵機(jī)固定在盒上。我們還在特定位置切割了盒子，以使組件合適，并且伺服器可以旋轉(zhuǎn)。通過在塑料盒上打孔（黃色）或通過粘貼塑料來安裝燈。的圖。 11

任務(wù)4：捆綁所有組件

如圖中所示。 12 ，在盒子里，我們有Basys3開發(fā)板，GPS和BT2模塊；用電線，電纜扎帶和膠帶將它們固定。在它們的頂部，用硬紙板隔開的面包板帶有用于接地和為伺服器供電的引腳。圖13 。

第3步：處理電氣部件

下一步，我們需要以某種方式將電氣部件連接到板上。..由于傳感器隨附的收到的Digilent 6/12引腳電纜連接器很短，我們不得不通過焊接電線和引腳來擴(kuò)展連接器用錫。 圖7.a 和 7.b 顯示了我們應(yīng)在項(xiàng)目中的Basys3板與Pmod之間建立的連接。

此步驟再次分為幾個(gè)任務(wù)。

任務(wù)1 ：將每個(gè)按鈕焊接到一塊焊板上，然后將其連接到兩根導(dǎo)線上，這兩根導(dǎo)線的長度相等，可以從自行車的一個(gè)手柄上取下到前面提到的自行車背面的板上。一根線將接地，另一根線將連接到電路板的引腳。一個(gè)按鈕需要2 X 160厘米的電線。 （圖8）

任務(wù)2 ：對(duì)LED和電阻進(jìn)行相同的操作。因?yàn)槲覀儧Q定將信號(hào)燈放在較早安裝的盒子的背面，所以所需的電線將不再像上面提到的那樣長。每根電線30厘米對(duì)我們來說綽綽有余。 （圖9）

任務(wù)3 ：如果要連接3個(gè)伺服器，電路板的電源將不足。因此，我們決定為每個(gè)伺服器放置9V電池。因?yàn)槭褂玫乃欧髟?.8V-》 6V的電壓下工作，所以我們添加了一個(gè)固定輸出線性穩(wěn)壓器（LM7805），該穩(wěn)壓器為我們提供了5V的輸出，用于為伺服器供電。 （圖10）

未來的更新將包括Pmod的最終接線?，F(xiàn)在，這是使用6/12針Digilent電纜連接器完成的。

步驟4：測(cè)試外圍設(shè)備

所有內(nèi)容均已在VHDL中編程。在本節(jié)中，我們將解釋每個(gè)實(shí)現(xiàn)背后的邏輯。我們還提供下面的代碼。

作為藍(lán)牙模塊的PmodBT2是使用UART協(xié)議控制的。從數(shù)據(jù)表我們知道它的波特率為115200。我們需要知道接收和發(fā)送操作的過采樣率。盡管我們還為接收部分提供了代碼，但我們現(xiàn)在僅使用傳輸功能。傳輸?shù)倪^采樣率計(jì)算為板頻率/藍(lán)牙波特率，在本例中為100MHz/115200 =868。有關(guān)如何控制和連接藍(lán)牙的更多信息，請(qǐng)參見Internet。盡管pmod有12個(gè)引腳，但我們將僅連接RX，TX的2個(gè)引腳，GROUND和VCC的2個(gè)引腳。

PmodMAXSonar使用PWM（脈沖寬度調(diào)制）協(xié)議進(jìn)行編程，盡管您可以使用其他編程協(xié)議。我們將需要引腳4（PWM輸出），引腳5（GND）和引腳6（VCC）。 RX引腳將被上拉并設(shè)置為輸出以連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。我們忽略了模擬和TX引腳。該分量的輸出將是英寸的范圍，該范圍將通過對(duì)PWM輸入脈沖的長度（即147微秒）進(jìn)行計(jì)數(shù)來獲得。每次計(jì)數(shù)器達(dá)到14699時(shí)，我們都會(huì)增加英寸，如果讀數(shù)大于零，則會(huì)重置緩沖區(qū)以準(zhǔn)備新的讀數(shù)。

我們使用藍(lán)牙模塊將聲納讀數(shù)傳輸?shù)?a target="_blank">手機(jī)。我們計(jì)算出，要發(fā)送數(shù)據(jù)，我們需要將傳輸過采樣率乘以所需的位數(shù)乘以2。過采樣率是867，位數(shù)是16，乘以2，得到27774。使用計(jì)數(shù)器，每次達(dá)到該值時(shí)，我們就傳輸范圍?？梢愿鶕?jù)需要進(jìn)一步調(diào)整該值。

LED的一根線接地，另一根線接地。按鈕的連接方式相同。面板等待按鈕被按下。當(dāng)它在按鈕引腳上記錄更改時(shí)，它開始閃爍一個(gè)LED。另一個(gè)按下的按鈕將停止相應(yīng)的指示燈。指示燈在邏輯上“綁定”到按鈕。另一個(gè)導(dǎo)致另一個(gè)按鈕。

注意：必須將按鈕信號(hào)線所在的端口設(shè)置為在XDC文件中上拉才能正常工作。

Servos輸入PWM的周期應(yīng)為2ms。這意味著50 Hz頻率。由于Basys3內(nèi)部時(shí)鐘的頻率為100MHz，為了獲得所需的50Hz時(shí)鐘周期，我們將100MHz/50Hz = 2000000計(jì)數(shù)?；谔囟ǖ奶畛湟蜃?，我們將獲得一定程度的伺服磁頭移動(dòng)，該角度再次實(shí)現(xiàn)為計(jì)數(shù)器。

使用模塊SPI_communication_NAV_AG通過設(shè)置寄存器來從加速度計(jì)獲取數(shù)據(jù)。想讀取數(shù)據(jù)。例如，如果希望從x軸讀取數(shù)據(jù)，可以將spi_addr設(shè)置為“ 0101001”。由于我們希望一直進(jìn)行通信，因此我們將enable設(shè)置為1。從加速度計(jì)的X軸讀取數(shù)據(jù)（主從SPI通信）。用重力加速度單位解釋數(shù)據(jù)，并檢查其是否在閾值內(nèi)：1-5 g。如果閾值之間的讀數(shù)值通知了制動(dòng)信號(hào)燈。

注意：這些值可從觀察中得知

GPS用于識(shí)別自行車的行駛速度。數(shù)據(jù)通過UART協(xié)議收集，并以5條消息的形式出現(xiàn)。我們只需要第五個(gè)VTG即可獲得速度。來自GPS的所有信息都通過BT2發(fā)送到應(yīng)用，最終在其中進(jìn)行解析，并提取所需的數(shù)據(jù)。

第5步：對(duì)電路板進(jìn)行編程

我們現(xiàn)在準(zhǔn)備為當(dāng)前的系統(tǒng)賦予生命！

1。打開Vivado Design Suite并創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目。

2。為項(xiàng)目指定所需的名稱，創(chuàng)建一個(gè)約束文件，然后選擇零件xc7a35tcpg236-1，它是Basys3板上的fpga核心。

3。為代碼文件中提供的每個(gè)組件創(chuàng)建新的設(shè)計(jì)源，或僅將它們上載。

4。將我們提供的約束文件放入您的項(xiàng)目中（如果需要，可以根據(jù)自己的需要對(duì)其進(jìn)行自定義）。

5。綜合并實(shí)施您的設(shè)計(jì)。生成比特流，打開新目標(biāo)并編程設(shè)備：）