Điều khiển robot nhận biết bằng hồng ngoại sử dụng fpga

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ -*$* - BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Đề tài: Điều khiển robot nhận biết hồng ngoại sử dụng FPGA Mã số: 18-SV-DT-2009 Giáo viên hướng dẫn: Đỗ Mạnh Hà Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tuấn Đông Lê Thanh Lâm Nguyễn Văn Thanh Lớp : D07KTDT1 _ Hµ Néi, 12 /2009_ Mục lục Mục lục .2 Lời nói đầu I Mục đích đề tài 1.1 Tìm hiểu công cụ mô tả phần cứng VHDL 1.2 Tìm hiểu Cơng cụ lập trình FPGA 1.3.Robot tự hành II.Thiết kế phần cứng 2.1 Hệ thống cảm biến .9 2.1.1 Định nghĩa 2.1.2 Các loại cảm biến .10 2.1.3 Led hồng ngoại (Light Emiting Diode ) 10 2.1.5 Mạch in cảm biến : 14 2.2 Mạch công suất điều khiển động .14 2.2.1 Hoạt động DC motor 15 2.2.2 Điều khiển Dc motor rơle(RELAY) 16 2.2.3.Điều khiển chiều quay cho DC motor dùng rơle 17 2.2.4 Điều xung PWM, điều chỉnh vận tốc cho động 19 III.Lập trình điều khiển .21 3.1.Giới thiệu kit thử nghiệm CPLD COOLRUNNER – II 256 TQ144 21 3.2.Lập trình KIT thử nghiệm 22 3.3.Sơ đồ khối mạch điều khiển 22 3.4 cách bố trí cảm biển robot 24 3.5 Bảng trạng thái điều khiển cho động 24 3.6 Trạng thái hoạt động FSM .25 3.7 Code modul điều khiển robot 25 IV Kết thúc đề tài 28 PHỤ LỤC – ĐỀ CƯƠNG ĐỀ TÀI 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 Lời nói đầu Ngày công nghệ Logic số phát triển mạnh mẽ công nghệ chủ đạo việc phát triển sản phẩm điện-điện tử công nghiệp dân dụng,điều khiển tự động,viễn thông công nghệ thơng tin.Hiện có nhiều loại cơng nghệ logic số khác sử dụng để thực thiết kế logic số.Một số cơng nghệ logic khả trình (Programmable Logic).Một cấu kiện logic lập trình được(PLD) IC số mà người dùng cấu hình để chúng có khả thực chức logic mong muốn.Đây chip LSI có chứa cấu trúc “bình thường” cho phép nhà thiết kế tạo tùy biến cho để dùng cho ứng dụng đặc biệt nào,tức người dùng lập trình để thực chức cần thiết cho ứng dụng họ Các PLD có ưu điểm sau: Thời gian thiết kế ứng dụng ngắn Chi phí phát triển thấp Giảm thiếu yêu cầu khoảng trống bảng mạch Giảm thiểu yêu cầu điện Bảo đảm tính bảo mật thiết kế Tốc độ chuyển mạch nhanh Mật độ tích hợp cao Chi phí sản xuất số lượng lớn thấp PLD cho phép nhà thiết kế có nhiều phương tiện linh động để thí nghiệm với thiết kế chúng lập trình lại vài giây Với nhiều ưu điểm nên có số lượng lớn PLD nhà sản xuất IC tạo với nhiều tính đa dạng nhiều tùy chọn có sẵn để nhà thiết kế mạch sử dụng cách phổ biến Cùng với việc phát triển không ngừng khoa học kĩ thuật cơng ngệ robot phát triển cách vô mạnh mẽ.Robot ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp,hàng không,vũ trụ,dịch vụ…Trào lưu thiết kế robot diễn cách sôi phận sinh viên.Nhiều thi sáng tạo robocon thu hút không bạn sinh viên trường đại học lớn,tuy nhiên với điều kiện nghiên cứu kiến thức có hạn nên mơ hình robot khơng q phức tạp.Với yêu cầu chọn vi điều khiển VDK8051(P89V51RD2),VDK PIC(16F877A),VDK AVR(ETEMEGA 16L) phổ biến….Tuy nhiên việc thiết kế phần cứng việc điều khiển robot phức tạp.Vì song song với việc tìm hiểu số cấu trúc PLD : Mảng logic khả trình(PLA).Logic mảng khả trình(PAL),cấu kiện logic khả trình đơn giản (SPLD), mảng cổng lập trình theo trường (FPGA) Nhóm chúng em chọn thiết kế robot tự hành,nhận biết hồng ngoại thử nghiệm KIT CPLD nhằm tăng khả thiết kế logic tận dụng ưu điểm PLD nói Chúng em xin chân thành cảm ơn tận tình hướng dẫn Thầy Đỗ Mạnh Hà, tất thầy cô môn Kĩ thuật điện tử suốt thời gian thực đề tài Với tận tình giúp đỡ kết hợp với nỗ lực cố gắng nhóm, chúng em hồn thành để tài Tuy nhiên, hạn chế mặt thời gian kiến thức chưa sâu, nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu xót Chúng em xin chân thành tiếp thu ý kiến bảo đóng góp thầy tồn thể bạn để đề tài hoàn thiện tốt ứng dụng tốt thực tế Xin chân thành cảm ơn ! Nhóm sinh viên thực đề tài I Mục đích đề tài 1.1 Tìm hiểu công cụ mô tả phần cứng VHDL Giới thiệu VHDL VHDL ngôn ngữ mô tả phần cứng cho mạch tích hợp tốc độ cao, loại ngôn ngữ mô tả phần cứng phát triển dùng cho chương trình VHSIC( Very High Speed Itergrated Circuit) quốc phòng Mỹ Mục tiêu việc phát triển VHDL có ngơn ngữ mơ phần cứng tiêu chuẩn thống cho phép thử nghiệm hệ thống số nhanh cho phép dễ dàng đưa hệ thống vào ứng dụng thực tế Ngôn ngữ VHDL ba công ty Intermetics, IBM Texas Instruments bắtđầu nghiên cứu phát triển vào tháng năm 1983 Phiên cơng bố vào tháng 8-1985 Sau VHDL đề xuất để tổ chức IEEE xem xét thành tiêu chuẩn chung Năm 1987 đưa tiêu chuẩn VHDL( tiêu chuẩn IEEE-1076 1987) VHDL phát triển để giải khó khăn việc phát triển, thay đổi lập tài liệu cho hệ thống số VHDL ngôn ngữ độc lập không gắn với phương pháp thiết kế, mô tả hay công nghệ phần cứng Người thiết kế tự lựa chọn cơng nghệ, phương pháp thiết kế sử dụng ngôn ngữ Và đem so sánh với ngôn ngữ mô phần cứng khác ta thấy VHDL có số ưu điểm hẳn là: - Thứ tính cơng cộng: VHDL phát triển bảo trợ phủ Mỹ tiêu chuẩn IEEE VHDL hỗ trợ nhiều nhà sản xuất thiết bị nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô hệ thống - Thứ hai khả hỗ trợ nhiều công nghệ nhiều phương pháp thiết kế: VHDL cho phép thiết kế nhiều phương pháp ví dụ phương pháp thiết kế từ xuống, hay từ lên dựa vào thư viện sẵn có VHDL hỗ trợ cho nhiều loại cơng cụ xây dựng mạch sử dụng công nghệ đồng hay khơng đồng bộ, sử dụng ma trận lập trình hay sử dụng mảng ngẫu nhiên - Thứ ba tính độc lập với cơng nghệ: VHDL hồn tồn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng Một mô tả hệ thống dùng VHDL thiết kế mức cổng chuyển thành tổng hợp mạch khác tuỳ thuộc công nghệ chế tạo phần cứng đời áp dụng cho hệ thống thiết kế - Thứ tư khả mô tả mở rộng: VHDL cho phép mô tả hoạt động phần cứng từ mức hệ thống số mức cổng VHDL có khả mô tả hoạt động hệ thống nhiều mức sử dụng cú pháp chặt chẽ thống cho mức Như ta mô thiết kế bao gồm hệ mô tả chi tiết - Thứ năm khả trao đổi kết quả: Vì VHDL tiêu chuẩn chấp nhận, nên mô hình VHDL chạy mơ tả đáp ứng tiêu chuẩn VHDL Các kết mô tả hệ thống trao đổi nhà thiết kế sử dụng công cụ thiết kếkhác tuân theo tiêu chuẩn VHDL Cũng nhóm thiết kế trao đổi mơ tả mức cao hệ thống hệ thống lớn (trong hệ thiết kế độc lập) - Thứ sáu khả hỗ trợ thiết kế mức lớn khả sử dụng lại thiết kế: VHDL phát triển ngôn ngữ lập trình bậc cao, sử dụng để thiết kế hệ thống lớn với tham gia nhóm nhiều người Bên ngơn ngữ VHDL có nhiều tính hỗ trợ việc quản lý, thử nghiệm chia sẻ thiết kế Và cho phép dùng lại phần có sẵn 1.2 Tìm hiểu Cơng cụ lập trình FPGA Khai thác, nghiên cứu công nghệ bước thiếu việc cải tiến, nâng cao chế tạo trang thiết bị quân dân nhằm đáp ứng việc đại hóa cơng nghiệp hóa đất nước Cùng với phát triển vượt bậc ngành công nghệ thông tin cơng nghệ mạch tích hợp vi điện tử, mạch tổ hợp logic lập trình đời làm cho sản phẩm quân dân ngày hoàn thiện ưu việt Để tiến bước xa việc cải tiến thiết bị điện tử đại đáp ứng nhu cầu ngày cao người với tốc độ xử lý cao, đòi hỏi phải có cơng nghệ tiên tiến phù hợp với tình hình chung giới Trên sở phát triển chip PLA công nghệ nano đưa vào chế tạo mạch tích hợp lập trình FPGA & CPLD, làm cho mạch tích hợp logic lên tới hàng chục triệu cổng, tốc độ đồng hồ lên đến 500MHz Ứng dụng công nghệ vào thiết kế chế tạo thiết bị điện tử lập trình PLIC bước cần thiết cho tương lai với nước phát triển Việt Nam Để đáp ứng tính bảo mật nhu cầu chuyên dụng hóa, tối ưu hóa(thời gian, khơng gian, giá thành), tính chủ động cơng việc….ngày địi hỏi khắt khe Việc đưa công nghệ lĩnh vực chế tạo mạch điện tử để đáp ứng nhu cầu hồn tồn cấp thiết mang tính thực tế cao Công nghệ FPGA ( Field Programmable Gate Array) CPLD(Complex Programmable Logic Device) hãng lớn tập trung nghiên cứu chế tạo điển hình Xilinx Altera Để làm chủ công nghệ tổ chức thiết kế sản xuất công nghệ FPGA xilinx cho phép tự thiết kế vi mạch riêng, xử lí số riêng dành cho ứng dụng chúng ta.Đặc biệt lĩnh vực xử lý tín hiệu số mạch tích hợp dùng để nhận dạng âm thanh, hình ảnh, cảm biến… với tính mềm dẻo cao giá thành thấp Măc dù công nghệ FPGA xuất từ năm 1985, xong nước ta cịn tìm hiểu, làm chủ cơng nghệ FPGA việc làm hoàn toàn cần thiết 1.3.Robot tự hành Robot tự hành hay robot di động (mobile robots, thường gọi tắt mobots) định nghĩa loại xe robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trìnhlại được) điền khiển tự động để thực thành công công việc giao Theo lý thuyết, môi trường hoạt động robot tự hành đất, nước, khơng khí, khơng gian vũ trụ hay tổ hợp chúng Địa hình bề mặt mà robot di chuyển đócó thể phẳng thay đổi, lồi lõm Theo phận thực chuyển động, ta chia robot tự hành làm lớp: chuyển động chân (legged) bánh (wheeled) Trong lớp đầu tiên, chuyển động có nhờ chân khí bắt chước chuyển động người động vật (hình 1.1g,h) Robot loại di chuyển tốt định hình lồi lõm, phức tạp Tuy nhiên,cách phối hợp chân vấn đề giữ vững tư cơng việc khó khăn Lớp cịn lại (di chuyển bánh) tỏ thực tế hơn, chúng làm việc tốt hầu hết địa hình người tạo Điều khiển robot di chuyển bánh đơn giản nhiều, gần đảm bảo tính ổn định cho robot Lớp chia làm loại robot: Loại chuyển động bánh xe (phổ biến) (hình 1.1a, b, c, f, i), loại chuyển động vịng xích (khi cần mơ men phát động lớn hay cần di chuyển vùng đầm lầy, cát băng tuyết) (hình 1.1d, e), loại hỗn hợp bánh xe xích (ít gặp) Tiềm ứng dụng robot tự hành rộng lớn Có thể kể đến robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa tịa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay thư viện; robot phục vụ quét dọn đường phố, khoang chân không; robot kiểm tra môi trường nguy hiểm; robot canh gác, thám; robot khám phá không gian, di chuyển hành tinh; robot hàn, sơn nhà máy; robot xe lăn phục vụ người khuyết tật; robot phục vụ sinh hoạt gia đình v.v Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, hạn chế chưa giải robot tự hành, chi phí chế tạo cao, khơng cho phép chúng sử dụng rộng rãi Một nhược điểm khác robot tự hành phải kể đến thiếu tính linh hoạt thích ứng làm việc vị trí khác Bài tốn tìm đường (navigation problem) robot tự hành loại toán đơn giản nhiều người nghĩ lúc ban đầu Trong đề tài này, tốn tìm đường mơ hình robot giải mức độ không phức tạp ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL, cơng cụ lập trình FPGA a) b) c) d) e) f) h) 10