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システム構成

 
　移動、画像に関連する処理系のテストが終わったので
　最終システム構成を見直します。



　各処理系に分け、電子回路とVHDLコードを考えます。

　DCモータドライブ

　　DCモータは、TAMIYAの６速ギアボックスを
　　左右に配置しています。



　　電子回路はフォトカプラ、パワーMOSFETを利用した
　　シンプルで一方向だけの回転です。



　　次のVHDLコードで、DCモータに与えるPWM波形を
　　生成しています。

  process (nRESET,iPCLK)
  begin
    if ( nRESET = '0' ) then
      iPCNTC  <= 0 ;
      iRDUTYX <= 0 ;
      iLDUTYX <= 0 ;
    elsif rising_edge(iPCLK) then
      if ( iPCNTC = PCNTMAX ) then
        iPCNTC  <= 0 ;
        iRDUTYX <= iRDUTY ;
        iLDUTYX <= iLDUTY ;
      else
        iPCNTC <= iPCNTC + 1 ;
      end if ;
    end if ;
  end process ;
  iLMOUT <= '1' when ( iPCNTC < iRDUTYX ) else '0' ;
  iRMOUT <= '1' when ( iPCNTC < iLDUTYX ) else '0' ;

　　上位の移動制御シーケンサは、次の２レジスタに
　　与えるパラメータで、回転数を調整します。

    iRDUTY
    iLDUTY

　　予期しないときに、DCモータが回転するのを
　　防止するため、イネーブル信号でパルス出力
　　を制御します。

  iPWMOUT(0) <= iRMOUT when ( iENABLE(0) = '1' ) else '0' ; -- right
  iPWMOUT(1) <= iLMOUT when ( iENABLE(0) = '1' ) else '0' ; -- left

　ロータリーエンコーダ

　　モータの回転軸に、６速ギアボックスについていた
　　円形アームを取付け、フォトインタラプタで回転を
　　拾います。



　　フォトインタラプタは、TLP1018（東芝）の手持ちが
　　あったので、それを利用しました。



　　データシートでは、5V利用が推奨されていましたが
　　3.3Vでも充分動作しました。



　　ロータリーエンコーダ用スリットは、DCモータの
　　シャフトに取付けてあるので、DCモータ回転制御
　　に利用するクロックでサンプリングします。

  process (nRESET,iPCLK)
  begin
    if ( nRESET = '0' ) then
      iROTL_SFT <= "000" ;
      iROTR_SFT <= "000" ;
    elsif rising_edge(iPCLK) then
      iROTL_SFT <= iROTL_SFT(1 downto 0) & iROTIN(1) ;
      iROTR_SFT <= iROTR_SFT(1 downto 0) & iROTIN(0) ;
    end if ;
  end process ;
  iROTL_TRG <= '1' when ( iROTL_SFT = "001" or iROTL_SFT = "011" ) else '0' ;
  iROTR_TRG <= '1' when ( iROTR_SFT = "001" or iROTR_SFT = "011" ) else '0' ;

　　ロータリーエンコーダ動作のモニタ用に
　　LEDを接続し、回転を目視できるように
　　します。

  ROTOUT <= (not iROTL_TRG) & (not iROTR_TRG) ;

　　２つのトリガー信号を利用し、左右個別カウンタを
　　インクリメントします。これで左右の回転数の差が
　　わかるのと、距離を計算できます。

  process (nRESET,iROTL_TRG)
  begin
    if ( nRESET = '0' ) then
      iROTL_CNT <= 0 ;  
    elsif rising_edge(iROTL_TRG) then
      iROTL_CNT <= iROTL_CNT + 1 ;
    end if ;
  end process ;

  process (nRESET,iROTR_TRG)
  begin
    if ( nRESET = '0' ) then
      iROTR_CNT <= 0 ;  
    elsif rising_edge(iROTR_TRG) then
      iROTR_CNT <= iROTR_CNT + 1 ;
    end if ;
  end process ;

　Servoモータドライブ

　　Servoモータは、電源とパルスを与えれば回転するので
　　フォトカプラを利用し、3.3Vから5Vのパルスを生成して
　　います。



　　Servoモータでは、20msに一度1ms〜2ms幅のパルスを出力
　　すればよいので、20msを2000カウントに対応させて処理。

  process (nRESET,iSCLK)
  begin
    if ( nRESET = '0' ) then
      iSCNT      <= 0 ;
      iSERVOREGX <= 150 ;
    elsif rising_edge(iSCLK) then
      if ( iSCNT = 1999 ) then
        -- clear
        iSCNT <= 0 ;
        -- angle control
        if ( iENABLE(1) = '1' ) then
          iSERVOREGX <= iSERVOREG ;
        else
          iSERVOREGX <= 150 ;
        end if ;
      else
        iSCNT <= iSCNT + 1 ;
      end if ;
    end if ;
  end process ;
  iSERVO <= '1' when ( iSCNT < iSERVOREGX ) else '0' ;

　　2000カウントするたびに、新しいパルス幅の値を
　　ロードしておきます。

　　Servoモータの角度を制御するシーケンサは
　　次のレジスタに与えるパラメータを使います。

    iSERVOREG

　　予期しないときに、Servoモータが回転するのを
　　防止するため、イネーブル信号でパルス出力を
　　制御します。イネーブル信号にiENABLE(1)を
　　使います。

　電源配分

　　DCモータ、Servoモータは、同じ電池を電源とし
　　BacCodeScannerとFPGAを同じ電池を電源とします。



　　BarCodeScannerがおかしな動作をすると、移動
　　そのものに影響がでます。BarCodeScannerには
　　極力安定した電源電圧を与えます。



マスターシーケンサ

　マスターシーケンサは、マシンをあやつる電子回路です。

　スタートトリガーを受取り、センサー情報を
　利用し、コース上の移動を制御します。

　シーケンサは、ステートマシンとも呼ばれ
　次のステートを遷移していきます。



　FPGA内部では、ひとつのシーケンサで対応します。
　マイコンと同じ動作をしますが、状態遷移が主な
　仕事で、センサー情報入力、DCモータへのパルス
　出力等は専用電子回路が担当します。

　シーケンサは次の手順で動かします。

    

  1. スタートトリガー待ち（トリガーがくると、ステート２へ）

  2. DUTY比10%で、１秒走行（ステート３へ）

  3. DUTY比25%で、１秒走行（ステート４へ）

  4. DUTY比50%で、１秒走行（ステート５へ）

  5. DUTY比75%で、１秒走行（ステート６へ）

  6. センサー情報入力（ステート７へ）

  7. Servoモータ、DCモータのパラメータ計算（ステート８へ）

  8. Servoモータ、DCモータのパラメータ出力（ステート９へ）

  9. ステート６にもどる


　上の手順は、大まかな処理です。
　実際には、５状態を用意し、その状態を遷移します。

　前輪には、サーボモータを接続したので
　後輪は、左右のモータの回転数を変える
　ことによる、信地旋回はやりません。

　前輪を左右に操舵するだけで、充分方向を
　変えて移動可能でした。



LEDモニタ

　基板上には、多数のLEDを実装しています。

　LEDは、センサー情報、内部シーケンサの
　情報を確認するために使っています。

　・どのモードで走行中かを２LEDで表示します。



　・ロータリーエンコーダが、回転を拾っている
　　かを、２LEDで表示します。



　・DCモータドライブ回路に、PWM波形を与えて
　　いるかを２LEDで目視可能に。



　・BCSから入力した路面センサー情報モニタ。
　　（FPGA基板上のLED利用）



　マシン走行を動画撮影し、これらのLEDの
　点灯パターンを解析すると、FPGA内部の
　電子回路の動作を把握できます。
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