基于ＦＰＧＡ的智能玩具設(shè)計(jì)

1、基于的智能玩具方案摘要:本方案先容了一種接納硬件形貌語(yǔ)言形貌并用fpga實(shí)現(xiàn)led拼圖玩具操縱軟件及智能斷定部門(mén)的方案要領(lǐng)。本方案結(jié)合了led動(dòng)態(tài)表現(xiàn)、無(wú)線通訊、紅外通訊等相干知識(shí),運(yùn)用vhdl語(yǔ)言形貌了一個(gè)具有智能型、意見(jiàn)意義性和智力開(kāi)拓性的led拼圖玩具。方案平臺(tái)為altera公司的quartusii5.0軟件,接納altera公司的ylne系列fpga實(shí)現(xiàn)。本方案中的無(wú)線發(fā)射與吸收部門(mén)接納集成模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),以此來(lái)簡(jiǎn)化方案。本文詳細(xì)先容了led拼圖玩具的方案歷程,包羅同步信息、無(wú)線串行發(fā)射與吸收、同步時(shí)鐘、地點(diǎn)信息、抗滋擾本領(lǐng)、體系主動(dòng)清零方案、紅外數(shù)據(jù)傳輸、自主斷定、隨機(jī)等式部門(mén)的方案與實(shí)

2、現(xiàn)。對(duì)深化研究電子玩具具有龐大的意義。關(guān)鍵詞:fpga;vhdl;無(wú)線通訊;紅外通訊;隨機(jī)等式1led拼圖玩具顛末玩具市場(chǎng)視察表白,智能型玩具是以后兒童玩具的一個(gè)緊張生長(zhǎng)標(biāo)的目的,而將智力開(kāi)拓和意見(jiàn)意義性參加智能型玩具將會(huì)受到更多家長(zhǎng)們的厚愛(ài)。led拼圖玩具聚集了意見(jiàn)意義性、智力開(kāi)拓性、智能型。意見(jiàn)意義性:它的意見(jiàn)意義運(yùn)算包羅了加、減、乘、除(還可以擴(kuò)展為英筆墨母的識(shí)別和英文單詞的拼接),它由5個(gè)子模塊構(gòu)成(可以做到更多個(gè))。智能型:led拼圖玩具分為體系主機(jī)和子模塊,體系主機(jī)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊隨機(jī)的發(fā)送一組等式到各子模塊,各子模塊通過(guò)自身的紅別傳感器將數(shù)據(jù)傳送到體系主機(jī)舉行斷定。假設(shè)準(zhǔn)確體系主

3、機(jī)將再次通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送“k字符到每個(gè)子模塊,此時(shí)體系主機(jī)上的led數(shù)碼管表現(xiàn)“r字符,標(biāo)記著拼圖準(zhǔn)確;假設(shè)斷定效果不準(zhǔn)確那么無(wú)行動(dòng)。智力開(kāi)拓性:按下體系主機(jī)的發(fā)送鍵后,全部子模塊上所表現(xiàn)的為一個(gè)打亂了的等式,此時(shí)小孩子通過(guò)不雅察、比力、斷定將子模塊擺放成一個(gè)完備的等式。游戲的歷程非常得當(dāng)方才開(kāi)始學(xué)習(xí)簡(jiǎn)樸算術(shù)的兒童,游戲可以引導(dǎo)他們舉行邏輯斷定,改變他們的傳統(tǒng)頭腦方法,有利于小孩子智力的開(kāi)拓的同時(shí)加強(qiáng)了大人與小孩子的情緒交換,淘汰互相之間的代溝,有利于小孩子的康健生長(zhǎng)。2方案方案論證一個(gè)好的方案少不了好的方案方案,一個(gè)好的方案方案少不了方案的屢次選擇與論證。2.1基于51系列單片機(jī)的方案方

4、案51系列單片機(jī)體積孝本錢(qián)低,但是對(duì)方案職員自身的編程程度要求較高,也未便于信號(hào)的數(shù)字處置懲罰實(shí)現(xiàn),步伐運(yùn)行時(shí)串行處置懲罰,速率較慢,未便于高速情況中的應(yīng)用。51系列單片機(jī)內(nèi)部處置懲罰數(shù)據(jù)寬度為8位,對(duì)數(shù)據(jù)處置懲罰有必然的限定,給方案事情帶來(lái)了未便。2.2基于fpga的方案方案fpga均支持vhdl語(yǔ)言,它不必要編程職員非常認(rèn)識(shí)器件內(nèi)部布局,只要認(rèn)識(shí)vhdl語(yǔ)言即可對(duì)fpga舉行操縱。vhdl步伐接納并行處置懲罰,從現(xiàn)而進(jìn)步了步伐的處置懲罰速率,進(jìn)步了器件的運(yùn)行速率。vhdl語(yǔ)言語(yǔ)法嚴(yán)謹(jǐn),形貌的硬件電路不變性好。應(yīng)選用此方案舉行l(wèi)ed拼圖玩方案。3方案方案led拼圖玩具的方案,接納載有alte

5、ar公司的ylne系列芯片ep13t1448n比賽板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)比賽板)舉行l(wèi)ed拼圖玩具的方案12。異步串行無(wú)線發(fā)射與吸收部門(mén),接納集成芯片fs1000a和pr1a實(shí)現(xiàn)。紅外數(shù)據(jù)傳輸接納平凡的紅外發(fā)射管與紅外一體化吸收器hs0038實(shí)現(xiàn),表現(xiàn)部門(mén)接納88點(diǎn)陣和七段數(shù)碼管實(shí)現(xiàn),發(fā)送按鍵用平凡按鍵實(shí)現(xiàn)。軟件部門(mén)均接納vhdl語(yǔ)言形貌,軟件形貌平臺(tái)為quartusii5.034。3.1方案的總體框圖4體系主機(jī)方案體系主機(jī)事情流程:按下發(fā)送鍵后,體系隨機(jī)的組合成一組等式,步伐將這些數(shù)據(jù)加上同步信息和地點(diǎn)信息,并在數(shù)據(jù)中心參加斷絕信息后舉行并串轉(zhuǎn)換,通過(guò)i輸出口直接驅(qū)動(dòng)無(wú)線發(fā)射模塊,將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。子模

6、塊的數(shù)據(jù)信息通紅外線傳輸?shù)襟w系主機(jī)的紅外吸收器,吸收器將數(shù)據(jù)送到體系主機(jī),步伐將其數(shù)據(jù)舉行算術(shù)斷定,斷定準(zhǔn)確時(shí)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊反響到子模塊。4.1無(wú)線通訊數(shù)據(jù)格式在無(wú)線通訊中,為了更好的區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)信息與滋擾信息,在發(fā)射歷程中參加同步信息。為了包管同步信息的唯一性,特在地點(diǎn)信息和字符信息中參加了一個(gè)“0。地點(diǎn)信息接納4位編碼,共16個(gè)地點(diǎn),一共可以做16個(gè)子模塊,字符信息包羅“09,+,-,k一共16位,以是也接納4位編碼,假設(shè)想擴(kuò)展出英筆墨符,可以接納5位乃至更多位編碼。4.2無(wú)線發(fā)射電路為了使電路在吸收時(shí)更有用的識(shí)別數(shù)據(jù),接納的幀格式為:7位開(kāi)始位“0111110加上9位數(shù)據(jù)位,由于傳輸數(shù)據(jù)位

7、數(shù)少,故不設(shè)制止位。數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射接納無(wú)線發(fā)射模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),不需外圍電路,如許簡(jiǎn)化了方案歷程,進(jìn)步了方案服從。為了節(jié)省本錢(qián)接納單工通訊形式。4.3紅外數(shù)據(jù)傳輸格式紅外數(shù)據(jù)傳輸格式與無(wú)線發(fā)射歷程中的數(shù)據(jù)格式雷同,接納“0111110信息作為同步信號(hào)。4.4紅外通訊協(xié)議接納單工通訊形式。體系通過(guò)紅外發(fā)射器將本機(jī)處置懲罰過(guò)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去,接納“發(fā)停發(fā)的發(fā)送情勢(shì),以便利體系的自主斷定成效實(shí)現(xiàn)。紅外吸收器的事情方法為一連吸收前一個(gè)子模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的紅外數(shù)據(jù)。頻率接納100hz。4.5紅外數(shù)據(jù)發(fā)射hs0038的事情頻率為38khz,那么必須將發(fā)射信號(hào)調(diào)制在38khz的載波上,數(shù)據(jù)信息取反后顛末與門(mén)電路實(shí)現(xiàn)紅外

8、數(shù)據(jù)調(diào)制,調(diào)制后的數(shù)據(jù)通過(guò)比賽板的i足輸出驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射電路5。4.6體系主機(jī)操縱原理思量子模塊所表現(xiàn)的信息假設(shè)按運(yùn)算規(guī)矩直線擺放,紅外線將20位(臨時(shí)只思量5個(gè)子模塊,每個(gè)子模塊的表現(xiàn)數(shù)據(jù)為4位)表現(xiàn)數(shù)據(jù)信息不竭的傳送給體系主機(jī)。以“1+2=3為例,這20位數(shù)據(jù)的0到3位存放的是數(shù)據(jù)信息“3的代碼,4到7位存放在是數(shù)據(jù)信息“=代碼,8到11位存放在是數(shù)據(jù)信息“2代碼,12到15位存放在是數(shù)據(jù)信息“+代碼,16到19位存放在是數(shù)據(jù)信息“1代碼,將這五個(gè)代碼別離存放到差異的存放器中。檢測(cè)這些存放的算術(shù)紀(jì)律,假設(shè)準(zhǔn)確體系主機(jī)發(fā)射出“k字符,讓全部的子模塊均表現(xiàn)出“k字符,自身led數(shù)碼管表現(xiàn)“r字符

9、,標(biāo)致著本次游戲竣事。反之,子模塊處于不準(zhǔn)確的運(yùn)算紀(jì)律下,不發(fā)出任何操縱信息。4.7隨機(jī)等式產(chǎn)生器隨機(jī)等式產(chǎn)生器的實(shí)現(xiàn)要領(lǐng)為:設(shè)置兩個(gè)頻率差異的高速計(jì)數(shù)器:一個(gè)為0到9的加法計(jì)數(shù)器,另一個(gè)為9到0的減法計(jì)數(shù)器,且計(jì)數(shù)速率非常高,當(dāng)被操縱制止時(shí),比力兩個(gè)計(jì)數(shù)值,較大的阿誰(shuí)值作為和,別的一個(gè)值作為加數(shù),從而可以盤(pán)算出被加數(shù),如許一個(gè)完備的等式就如許得到了,且隨機(jī)得到6。5子模塊方案子模塊事情流程:每個(gè)子模塊上電后均不時(shí)檢測(cè)體系主機(jī)的發(fā)射信息,檢測(cè)到同步信息后,將其數(shù)據(jù)吸收,步伐吸收到數(shù)據(jù)后,起首舉行地點(diǎn)檢測(cè),切合自身地點(diǎn)信息時(shí)將地點(diǎn)信息位反面的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)存到另一個(gè)存放器,不然不轉(zhuǎn)存地點(diǎn)信息反面的數(shù)

10、據(jù)信息,在這此中必須去除無(wú)線發(fā)射幀格式中的斷絕信息。步伐按照數(shù)據(jù)信息存放器中的值查尋字符表,并表現(xiàn)出其字符。每個(gè)子模塊的表現(xiàn)數(shù)據(jù)通過(guò)紅外線傳輸給下一個(gè)子模塊,末了一個(gè)子模塊將數(shù)據(jù)傳輸給體系主機(jī)。每個(gè)子模塊吸收上前一個(gè)子模塊傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息,將其串行數(shù)據(jù)舉行串并轉(zhuǎn)換后舉行處置懲罰,處置懲罰完成后附加上自身的數(shù)據(jù)信息,顛末轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射電路。在此流程中必要辦理的關(guān)鍵技能為:紅外通訊技能、無(wú)線吸收技能。5.1串行吸收電路的方案為進(jìn)步吸收數(shù)據(jù)的正確性,淘汰誤碼率,對(duì)數(shù)據(jù)的處置懲罰猶如同步信息的檢測(cè)接納4次抽樣，對(duì)4次抽樣效果舉行訊斷:假設(shè)4次抽樣中至少有3次為高電平,那么訊斷為高電平,不然為低電

11、平6。5.3無(wú)線吸收、紅外數(shù)據(jù)流程框圖5.4紅外數(shù)據(jù)傳輸原理紅外數(shù)據(jù)在本機(jī)中之以是被接納是由于它具有近似直線的流傳成效,不克不及穿透停滯物。led拼圖玩具是由5個(gè)以上的正方形盒子構(gòu)成,將每個(gè)盒子的擺布兩那么別離裝上紅外吸收器與紅外發(fā)射器(均向外安裝),由于盒子自己對(duì)紅外線具有斷絕作用,防范了子模塊子之間紅外線的串?dāng)_題目,包管數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。假設(shè)將全部的子模塊子并行安排,那么恰好從左到右第一個(gè)子模塊的發(fā)射器瞄準(zhǔn)第二個(gè)子模塊的吸收器,以此類(lèi)推,末了一個(gè)子模塊的發(fā)射器對(duì)著體系主機(jī)的紅外吸收器,如許就大概通過(guò)紅外線直線性將每個(gè)子模塊的表現(xiàn)數(shù)據(jù)按劃定的挨次無(wú)線傳送給體系主機(jī)。6結(jié)語(yǔ)本方案使用vhdl語(yǔ)言形貌了一個(gè)led拼圖玩具,并借助由美國(guó)altera公司消費(fèi)的ylne系列芯片中的ep13t1448n(10萬(wàn)門(mén))組建的比賽板實(shí)現(xiàn)。可以或許實(shí)現(xiàn)一發(fā)多收的無(wú)線通訊形式,可以或許一個(gè)標(biāo)的目的斷定等式的準(zhǔn)確性,因此不克不及區(qū)分等號(hào)的相反擺放,同樣也不克不及區(qū)分加號(hào)的四個(gè)標(biāo)的目的擺放,有待進(jìn)一步美滿。參考文獻(xiàn)1王誠(chéng),范麗珍等.alterafpga/pld方案(底子篇).北京:人民郵電出書(shū)社,2022:7-115-13500-5.2王誠(chéng),范麗珍等.alterafpga/pld方案(高級(jí)篇).北京:人民郵電出書(shū)社,2022:7-1