基于FPGA的多功能巡逻机控制器的硬件设计

摘要：该文主要运用了FPGA技术来控制飞机的。本系统是用DE2-115这块板子开发的。硬件是有Verilog语言实现的，包括油门的加减模块、解锁模块、左右旋转控制模块的，前后左右方向控制等模块。可以实现用PC机和键盘来操控飞机。经检验满足了设计的要求。

关键词： FPGA；DE2_115；Verilog

中图分类号：TP342 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）09-0262-02

The Hardware Design of The Controller of The Multi Function Patrol Engine Based on FPGA

ZHANG Zhi-liang， CHENG Yu-zhe， SHI Xin-fang

（Suqian College School of electronic and Information Engineering， Suqian 223800， China）

Abstract： This paper mainly uses the FPGA technology to control the aircraft. This system is used DE2-115 development of the board. The hardware is the Verilog language， including the addition and subtraction of accelerator module， unlock module， rotating around the control module， and direction control module. Can be achieved using PC and keyboard to control the aircraft. After inspection to we can see the system meetting the design requirements.

Key words： FPGA； DE2_115； Verilog

随着电子技术的不断发展，航模已经运用与越来越多的方面，如在消防、建筑、勘测等领域更是运用广泛。现代航空模型运动分为自由飞行、线操纵、无线电遥控、仿真和电动等五大类。按动力方式又分为：活塞发动机、喷气发动机、橡筋动力模型飞机和无动力的模型滑翔机等[1]。航空模型的最大升力面积500平方分米；最大重量25千克；活塞发动机最大工作容积250毫升。而且航模科技活动可以激励参加者的上进心，制作、试飞的过程可以培养少年儿童的动手能力和创造精神，可以促进他们对外语、计算机、电子、物理，甚至管理等多个学科的学习和了解。有目标的准备比赛可培养他们的责任心、有始有终的毅力和合作精神。因此航模越来越受广大民众的喜爱。

目前大多数航模技术大多运用的是单片机技术，而本文的创新在于运用的是FPGA技术。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

本文选用的Cyclone IV EFPGA 芯片作为系统处理的核心。此芯片只需要两路电源供电，简化了电源分配网络，降低了电路板成本，减小了电路板面积，缩短了设计时间。而且，利用灵活的收发器时钟体系结构，您可以充分利用收发器所有可用资源，实现多种协议。这个芯片同时还降低了内核电压是目前业界最小的低功耗FPGA收发器，这也使得成本更低，而且在反应速度上也是遥遥领先的。

而且用FPGA来设计航模飞机会使飞机飞行更稳定，反应更迅速，使飞机能灵活的在空中进行各种飞行操作。让操控者更加随心所欲，更加喜爱航模运动。让越来越多的人爱上航模运动。

1 系统设计

系统框图如图一所示。本设计是由上位机采集操作员在键盘上的按键讯息，通过RS-232串口传送到FPGA芯片中去。FPGA接收到讯号通过一个译码器根据按键的不同选择相应的选通信号发送给对于的模块，如Y是加油门的按键，当FPGA接受到Y被按下的信号加油门的选通信号有效，传递给加油门模块，其他模块则不工作，加油门模块的输出送给X9313电位器使之滑块发生位移产生不同的电压，这样就能使飞机进入加油门的状态了。硬件部分是由油门的加减控制模块、左右方向的控制模块、左右旋转的控制模块、解锁模块等组成。

2 系统硬件设计

2.1译码器模块[2]

为了识别所接受的信号是哪个按键被按下而设计的模块。它能快速的识别按键的信号然后按照所接受到的按键信息分别产生使能信号传输给下一个模块使其工作。图中SenData信号是接受的按键信号；clk为时钟信号；rest_n为复位信号，a、b、c、d、e、f、g、h、m为产生的使能信号。原理图1如下：

2.2 油门模块

油门设计分为加油门模块和减油门模块，分别用来控制飞机的加油门和减油门。飞机进入加油门状态就会加速，反之就会减速。图中iin为加法器传送来的延时信号；bin为加法器传送来控制输出信号x9313Y_INC翻转的控制信号；x9313Y_UPDN和x9313Y_CS都是输出引脚。原理图2如下：

2.3 前后方向控制模块

前后控制模块分为前控制和后控制模块，分别用来控制飞机的前后方向。图中iin为加法器传送来的延时信号；bin为加法器传送来控制输出信号x9313Y_INC翻转的控制信号；x9313Y_UPDN和x9313Y_CS都是输出引脚。原理图3如下：

2.4左右旋转控制模块

左右旋转控制模块[1]分为左旋转控制和右旋转控制，分别用来控制飞机的左右旋转。图中iin为加法器传送来的延时信号；bin为加法器传送来控制输出信号x9313Y_INC翻转的控制信号；x9313Y_UPDN和x9313Y_CS都是输出引脚。原理图4如下：

3 系统仿真

由于本系统模块众多，我们这里以加油门为例具体说明加油门是如何实现的。SenData信号从RS232串口传入芯片中然后译码器经过译码器读取此信号再进行分析从而得到W键被测试员被按下，进而产生a使能信号之后传给加法器，使加法器工作从而产生延时信号i[3]和控制信号b，再传送给加油门模块，加油门模块接受到各种控制信号进入工作状态，之后加油门模块的输出送给X9313电位器使之滑块发生位移产生不同的电压，进而使飞机进入加油门状态。

4 电路测试

为了检验电路是否正确，将器件管脚设定后再全编译一次之后将生成的可下载文件以USB形式下载到DE2-115这块开发板上，再将输出管脚接到X9313芯片的输入管脚[4]，测试结果正确。

5 结语

通过上述数据可以显示采用FPGA更加方便，效率更高，更容易仿真和测试。用FPGA设计使器件功耗更小，信号更稳定，抗干扰性强，系统更稳定，升级更方便。它还可以根据现实需求，加入新功能，只需在FPGA芯片更改或加入一些程序就行了。FPGA技术的理论研究和实际应用正越来越受到人们的重视。

而且用FPGA来设计航模飞机会使飞机飞行更稳定，反应更迅速，使飞机能灵活的在空中进行各种飞行操作。让操控者更加随心所欲，更加喜爱航模运动。让越来越多的人爱上航模运动。

参考文献：

[1] 何昱. 基于无刷电机的航模系统的研究[D]. 武汉理工大学，2008.

[2] 史洪玮，王紫婷，宁平，等. 基于FPGA+DSP的多通道数据采集系统设计[J]. 信息技术， 2010（10）.

[3] 王龙飞.基于FPGA的视频采集系统设计.西安工业大学，2013（4）.

[4] 刘龙军， 丁洪伟， 李宗敬. 基于FPGA跳频扩频系统的设计.计算机与网络，2016（1）.