CN115327999A - 一种基于stm32芯片和fpga的agv控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于STM32芯片和FPGA的自动引导车AGV控制电路，包括采集AGV的运动状态数据的FPGA；读取所述FPGA传送的运动状态数据的STM32芯片；进行STM32芯片与FPGA通信的并行通信接口电路。利用STM32芯片支持的FSMC总线接口，进行STM32芯片与FPGA之间高速的并行通信接口电路设计，并在FPGA中设计多路数据采集与控制接口。STM32芯片具有丰富的软件资源，且编程调试方便、开发周期短；FPGA具有硬件可编程的特点，电路资源丰富，可以并行处理数据，通过本发明的设计，可以将STM32芯片和FPGA的优点结合，以满足AGV控制系统对实时性和外设数量的要求。
Description
技术领域
本发明涉及电路控制领域，尤其涉及一种基于STM32芯片和FPGA的AGV控制电路。
背景技术
自动导航车(AutomatedGuidedVehicle，AGV)作为一种自动运输装置，可以降低工业场景中的人力资源成本，提高工业系统的运行效率，传统的AGV控制器采用的方法主要是MCU和PLC控制，但MCU存在硬件接口资源有限的问题，难以满足具有多路外设驱动控制AGV系统的需要，PLC控制方法的抗干扰能力强，但其设计成本较高，开发周期长，且存在后期维护困难的问题。STM32芯片作为当前市场中主流MCU芯片的一种，具有丰富的片内资源和低功耗、低成本、开发周期短的优点，但同样具有硬件接口资源有限的问题，无法满足多路AGV外设的控制需求。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于STM32芯片和FPGA的AGV控制电路，通过STM32芯片与FPGA之间的并行通信接口电路设计实现数据的交互，旨在结合STM32芯片的软特性件、FPGA的可扩展性和并行处理能力，设计一个具有数据采集和运动控制的AGV电路，本申请的具体方案包括：
采集AGV的运动状态数据的FPGA；
读取所述FPGA传送的运动状态数据的STM32芯片，所述STM32芯片对运动状态数据进行解帧处理、并判断当前AGV的状态，根据上位机传送的指令进行数据组帧，将封装后的数据帧发送至FPGA，从而对AGV的运动过程进行控制；
进行STM32芯片与FPGA通信的并行通信接口电路。
所述FPGA包括数据交互接口、地址译码器、数据缓冲模块、读写控制模块和外设接口电路；
所述FPGA通过数据交互接口与STM32芯片进行并行数据通信，所述地址译码器对地址进行选择，所述数据缓冲模块采用异步FIFO对数据进行缓冲，所述读写控制模块对信号传输方向进行判断，所述FPGA通过外设接口电路与AGV数据通信。
所述并行通信接口电路为STM32芯片支持的FSMC存储器扩展接口，所述并行通信接口电路包括地址总线、数据总线、STM32芯片读控制线和STM32芯片写控制线。
所述外设接口电路包括RS-485通信模块、AGV电机控制模块和开关量模块。
所述RS-485通信模块的RS-485电路的数量为多个。
所述AGV电机控制模块包括4个电机控制电路，所述电机控制电路包括编码器采集电路和PWM输出电路。
所述开关量模块包括开关量输入电路和开关量输出电路，开关量输入电路和开关量输出电路的数量为多个。
由于采用了上述技术方案，本发明提供一种基于STM32芯片和FPGA的自动引导车AGV控制电路，利用STM32芯片支持的FSMC总线接口，进行STM32芯片与FPGA之间高速的并行通信接口电路设计，并在FPGA模块设计多路数据采集与控制接口，STM32芯片具有丰富的软件资源，且编程调试方便、开发周期短；FPGA具有硬件可编程的特点，电路资源丰富，可以并行处理数据，通过本发明的设计，可以将STM32芯片和FPGA的优点结合，以满足AGV控制系统对实时性和外设数量的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中STM32芯片工作流程示意图；
图2是本发明中FPGA端并行接口电路设计示意图；
图3是本发明中STM32芯片与FPGA并行通信接口电路示意图；
图4是本发明中FPGA端RS-485通信模块的电路示意图；
图5是本发明中FPGA端AGV电机控制模块的电路示意图；
图6是本发明中FPGA端开关量模块的电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
本发明提供一种基于STM32芯片和FPGA的自动引导车AGV控制电路，STM32芯片工作流程如图1所示。其主要功能包括：通过数据交互接口程序接收FPGA采集的AGV数据帧，解帧后将AGV的状态信息通过STM32芯片与上位机的交互接口程序发送到上位机界面进行状态显示，并将处理后的数据结合上位机接收指令的解析结果进行数据组帧，封装后的数据帧通过数据交互接口程序发送给FPGA，实现对AGV的运动控制功能。其中，STM32芯片和FPGA之间采用并行通信实现数据的传输，其通信速度快，可以满足AGV控制系统实时性的要求。STM32芯片提供静态存储器扩展接口FSMC，作为STM32系列芯片支持的一种静态存储器扩展技术，它可以将芯片内部AHB总线上的数据按照特定的外部器件协议格式进行转换，以满足外部器件的时序访问要求。本实施例利用STM32芯片的FSMC接口，将FPGA配置为STM32芯片的外部SRAM进行数据的读写。
FPGA端并行接口电路设计如图2示。为实现FPGA数据的暂存和外部数据的并行传输，一般采用双口RAM或FIFO的配置方式作为FPGA数据交换和存储的共享存储器。考虑AGV系统的设计需求，在FPGA扩展板中需要实现高速并行总线与多路低速AGV外接设备的数据交互和地址选择的功能，所以本实施例采用地址译码器+多路异步FIFO的架构，由译码器进行地址选择，由异步FIFO对数据进行缓冲，实现FPGA端通信接口的配置。
STM32芯片与FPGA之间的并行通信接口电路如图3示。STM32芯片和FPGA间通过17根信号线连接，分别是7根地址信号线、8根数据信号线，1根STM32芯片读控制线和1根STM32芯片写控制线。选取STM32芯片存储器扩展接口的高7位地址线A16～A22引脚作为通信的地址线、低8位数据线D0～D7引脚作为通信的数据线，最多可以读取或写入128个外设接口的数据，满足一般AGV设计对外设数量的控制需求。
此外，AGV控制器需要连接大量的外部设备，实现在工业现场的通信、车体控制和信息采集等功能，根据具体应用场景的不同，AGV控制器对应的功能也有一定的差异，导致单一的STM32芯片难以满足AGV控制器对接口数量和类型的要求。本发明实施例在FPGA中设计了AGV常用接口的扩展电路，包括RS-485通信模块、AGV电机控制模块和开关量模块。
RS-485通信模块的设计如图4示。在本发明实施例中，RS-485总线输出接口可以通过连接外部伺服驱动器，实现对AGV系统的行走、转向等运动控制；还可以通过RS-485接口接收外部控制指令，实现AGV系统与外部的通信。RS-485是一种广泛应用于工业现场的总线协议，本实施例中预留了10路RS-485接口，以适用不同AGV场景中的功能需求，具有一定的通用性。
RS-485电路采用平衡发送和差分传输，每路RS-485信号通过FPGA的收、发引脚和方向使能引脚和RS-485驱动收发电路连接，实现AGV控制器和外部RS-485设备的交互。以AGV控制器向外发出信号为例，当STM32芯片进行数据发送时，FPGA通过上述的存储器扩展接口总线中的7位地址线选中对应RS-485电路，通过8位数据总线接收数据，并存放在宽度为8、深度为64的异步FIFO中，当所选RS-485模块空闲时，会并行读取存放在FIFO中数据，经过并串转换后，配置为系统设定波特率的串行信号，并使能驱动收发电路芯片的发送引脚，实现一字节数据的发送，直至FIFO中的数据被读空，结束一帧数据的传输。AGV控制器接收信号时，与上述过程类似，信号依次经过串并转换、FIFO缓存后，通过并行总线传输到STM32芯片中，进行信号的分析处理。
AGV电机控制模块的设计如图5示，包括4个电机控制电路，每个电机控制电路包括编码器采集电路和PWM输出电路。在本发明实施例中，可以通过电机控制电路接口连接外部的4倍频增量式编码器，判断车体的转速和运动方向；接口还可以连接外部的电机驱动电路，将FPGA输出的PWM波转换为不同的电压输出，实现对电机的控制。
编码器采集电路通过FPGA的2个IO口采集编码器的通道A(A相)和通道B(B相)的脉冲信息，其中A、B相信号的周期相同，相位相差90°。在FPGA中设计编码器测量电路，检测2路信号的边沿信息和电平高低，利用通道A和通道B的上升沿和下降沿计数，实现编码器的四倍频；利用读取到电平的先后顺序，判断电机旋转方向。编码器采集电路将采集的信息存放在FIFO中，通过并行总线，传输到STM32芯片中进行信号分析处理。
PWM输出电路通过FPGA的1个IO口输出，FPGA通过并行总线接收STM32芯片数据，通过地址线选中对应的PWM输出电路，并根据数据线接收的数据设定输出PWM信号的占空比。电路输出的PWM波的频率和分辨率可以灵活设定，以满足不同的控制需求。
开关量模块的设计如图6示，包括开关量输入电路和开关量输出电路设计。在本发明实施例中，可以通过开关量输入电路连接相关传感器采集AGV的状态信息，如防撞信号、急停信号等；可以通过开关量输出电路控制继电器的导通和切断，从而实现对AGV的开关量输出控制，如刹车控制、转向指示和报警指示等。本实施例中设计了多路开关量输入和开关量输出电路，其具体数值可以根据AGV系统对开关量的控制需求进行配置。每路开关量电路通过并行总线的地址线进行片选控制，通过数据线接收开关量信息，由FPGA的IO口进行数据的收发。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于STM32芯片和FPGA的AGV控制电路，其特征在于：包括
采集AGV的运动状态数据的FPGA；
读取所述FPGA传送的运动状态数据的STM32芯片，所述STM32芯片对运动状态数据进行解帧处理、并判断当前AGV的状态，根据上位机传送的指令进行数据组帧，将封装后的数据帧发送至FPGA，从而对AGV的运动过程进行控制；
进行STM32芯片与FPGA通信的并行通信接口电路。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述FPGA包括数据交互接口、地址译码器、数据缓冲模块、读写控制模块和外设接口电路；
所述FPGA通过数据交互接口与STM32芯片进行并行数据通信，所述地址译码器对地址进行选择，所述数据缓冲模块采用异步FIFO对数据进行缓冲，所述读写控制模块对信号传输方向进行判断，所述FPGA通过外设接口电路与AGV数据通信。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于：所述并行通信接口电路为STM32芯片支持的FSMC存储器扩展接口，所述并行通信接口电路包括地址总线、数据总线、STM32芯片读控制线和STM32芯片写控制线。
4.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于：所述外设接口电路包括RS-485通信模块、AGV电机控制模块和开关量模块。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于：所述RS-485通信模块的RS-485电路的数量为多个。
6.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于：所述AGV电机控制模块包括4个电机控制电路，所述电机控制电路包括编码器采集电路和PWM输出电路。
7.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于：所述开关量模块包括开关量输入电路和开关量输出电路，开关量输入电路和开关量输出电路的数量为多个。
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