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《基于ｆｐｇａ的智能玩具设计 》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、基于ＦＰＧＡ的智能玩具设计摘要:本设计介绍了一种采用硬件描述语言描述并用FPGA实现LED拼图玩具控制软件及智能判断部分的设计方法。本设计结合了LED动态显示、无线通信、红外通信等相关知识,运用VHDL语言描述了一个具有智能型、趣味性和智力开发性的LED拼图玩具。设计平台为Altera公司的QuartusII5.0软件,采用Altera公司的Cyclone系列FPGA实现。本设计中的无线发射与接收部分采用集成模块来实现,以此来简化设计。 本文详细介绍了LED拼图玩具的设计过程,包括同步信息、无线串行发射与接收、同步时钟、地址信息、抗
2、干扰能力、系统自动清零设计、红外数据传输、自主判断、随机等式部分的设计与实现。对深入研究电子玩具具有重大的意义。 关键词:FPGA;VHDL;无线通信;红外通信;随机等式 1LED拼图玩具 经过玩具市场调查表明,智能型玩具是今后儿童玩具的一个重要发展方向,而将智力开发和趣味性加入智能型玩具将会受到更多家长们的厚爱。LED拼图玩具集合了趣味性、智力开发性、智能型。 趣味性:它的趣味运算包括了加、减、乘、除(还可以扩展为英文字母的识别和英文单词的拼接),它由5个子模块组成(可以做到更多个)。 智能型:LED拼图玩具分为系统主机和
3、子模块,系统主机通过无线发射模块随机的发送一组等式到各子模块,各子模块通过自身的红外传感器将数据传送到系统主机进行判断。如果正确系统主机将再次通过无线发射模块发送“OK”字符到每个子模块,此时系统主机上的LED数码管显示“R”字符,标志着拼图正确;如果判断结果不正确则无动作。 智力开发性:按下系统主机的发送键后,所有子模块上所显示的为一个打乱了的等式,此时小孩子通过观察、比较、判断将子模块摆放成一个完整的等式。游戏的过程非常适合刚刚开始学习简单算术的儿童,游戏可以引导他们进行逻辑判断,改变他们的传统思维方式,有利于小孩子智力的开发的
4、同时增强了大人与小孩子的情感交流,减少彼此之间的代沟,有利于小孩子的健康成长。 2设计方案论证 一个好的设计少不了好的设计方案,一个好的设计方案少不了方案的多次选择与论证。 2.1基于51系列单片机的设计方案 51系列单片机体积小、成本低,但是对设计人员自身的编程水平要求较高,也不便于信号的数字处理实现,程序运行时串行处理,速度较慢,不便于高速环境中的应用。51系列单片机内部处理数据宽度为8位,对数据处理有一定的限制,给设计工作带来了不便。 2.2基于FPGA的设计方案 FPGA均支持VHDL语言,它不需要编程人员非常熟悉
5、器件内部结构,只要熟悉VHDL语言即可对FPGA进行操作。VHDL程序采用并行处理,从现而提高了程序的处理速度,提高了器件的运行速度。VHDL语言语法严谨,描述的硬件电路稳定性好。故选用此方案进行LED拼图玩设计。 3方案设计 LED拼图玩具的设计,采用载有ALTEAR公司的Cyclone系列芯片EP1C3T144C8N竞赛板(以下简称竞赛板)进行LED拼图玩具的设计[1][2]。异步串行无线发射与接收部分,采用集成芯片FS1000A和PCR1A实现。红外数据传输采用普通的红外发射管与红外一体化接收器HS0038实现,显示部分采用
6、8×8点阵和七段数码管实现,发送按键用普通按键实现。软件部分均采用VHDL语言描述,软件描述平台为QuartusII5.0[3][4]。 3.1设计的总体框图 4系统主机设计 系统主机工作流程:按下发送键后,系统随机的组合成一组等式,程序将这些数据加上同步信息和地址信息,并在数据中间加入隔离信息后进行并串转换,通过IO输出口直接驱动无线发射模块,将数据发射出去。子模块的数据信息通红外线传输到系统主机的红外接收器,接收器将数据送到系统主机,程序将其数据进行算术判断,判断正确时通过无线发射模块反馈到子模块。 4.1无线通信数据格式
7、 在无线通信中,为了更好的区分数据信息与干扰信息,在发射过程中加入同步信息。为了保证同步信息的唯一性,特在地址信息和字符信息中加入了一个“0”。地址信息采用4位编码,共16个地址,一共可以做16个子模块,字符信息包括“0～9,+,-,×,÷,OK”一共16位,所以也采用4位编码,如果想扩展出英文字符,可以采用5位甚至更多位编码。 4.2无线发射电路 为了使电路在接收时更有效的识别数据,采用的帧格式为:7位开始位“0111110”加上9位数据位,由于传输数据位数少,故不设停止位。数据的无线发射采用无线发射模块来实现,不需外围电路,
8、这样简化了设计过程,提高了设计效率。为了节约成本采用单工通信模式。 4.3红外数据传输格式 红外数据传输格式与无线发射过程中的数据格式相同,采用“0111110”信息作为同步信号。 4.4红外通信协议 采用单工通
