SoPC（System on a Programmable Chip）是一種特殊的嵌入式系統。首先它是片上系統，即由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁剪、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能[1]。SoPC技術是將盡可能大而完整的電子系統(包括嵌入式處理器系統、接口系統、硬件協處理器或加速系統、數字通信系統、存儲電路以及普通數字系統等)在單一FPGA中嵌入實現。因此，可以使得整個設計在規模、可靠性、體積、功耗、功能、上市周期、開發成本、產品維護及其硬件升級等多方面實現最優化[2]。從未來電子系統設計技術走勢上看，SoPC技術更具發展性和前瞻性，被稱為“半導體產業的未來”[3-4]。

1 系統總體設計方案
    系統設計要求小車由起始端出發沿黑線行駛，在測到第一條黑線后有明顯的加速，測到第二條黑線后有明顯的減速，測到第三條黑線后開始尋光，測到第四條黑線后停止。在行駛過程中，車首液晶顯示屏實時顯示小車運行的時間和路程。下面給出兩種方案：
    (1)方案1：使用8051系列的單片機芯片。8051系列的單片機芯片使用多年，在市面上應用廣泛。各種電路也比較成熟，但其速度相對較慢，指令都是串行執行，在增加液晶顯示等模塊后使得CPU對檢測電路的掃描變慢。
    (2)方案2：使用E-Play-SoPC開發套件上的Cyclone系列FPGA芯片EP1C12Q240C8。FPGA運算速度很快，且其進程以并列的形式執行，即使增加更多的功能模塊（在FPGA芯片的資源范圍內）也絲毫不影響對檢測信號的響應速度[5]。
    比較兩種方案，為使小車平穩運行且功能更加智能化，選擇了方案2。
    系統整體框圖如圖1所示，主要由控制核心FPGA、尋軌電路、尋光電路、測障電路、液晶顯示模塊、電機驅動電路、LED指示燈指示模塊、語音提示模塊和點陣顯示模塊組成[6]。

2 硬件設計
2.1 尋軌電路
    尋軌電路采用兩對紅外線傳感器，當傳感器未檢測到黑線時，紅外線接收管相當于短路，比較器負向端的電位在4 V左右；當檢測到黑線時，紅外線接收管相當于開路，比較器負向端的電位在2 V左右。因此，將比較器正向端電位器的比較電位調到3 V即可實現對黑線的檢測。未檢測到黑線時電路輸出低電平，檢測到黑線時輸出高電平。其實現電路如圖2所示。

2.3 電機驅動電路
    小車采用雙輪驅動，使用驅動芯片L293D，其工作電壓為9 V。電機驅動電路如圖4所示，引腳1和引腳9分別是電機輸出的控制引腳，當引腳1或引腳9為低電平時，無論引腳2、引腳7、引腳10、引腳15的輸入為何值，引腳3、引腳6、引腳11、引腳14的輸出都為低電平；當引腳1或引腳9為高電平時，引腳3、引腳6、引腳11、引腳14輸出的電平與引腳2、引腳7、引腳10、引腳15輸入電平的高低相應。

3 軟件設計
    本文設計的小車中，基本運行程序可分為黑線計數模塊、尋軌模塊、尋光模塊以及計時模塊、路程測量模塊、液晶顯示模塊、LED指示燈指示模塊等輔助功能模塊。其行駛程序流程圖如圖6所示。

    (1)尋軌模塊：在黑線數為0、1、2時執行此模塊。當車底左端的傳感器檢測到黑線時，小車的左輪停止轉動，右輪按原速轉動；若右端的傳感器檢測到黑線，則反之。當黑線數為0、2時小車為減速狀態，通過對電機驅動芯片L293D的控制引腳輸出占空比為25%的方波信號實現。當黑線數為1時，小車運行在加速狀態，此時直接電機驅動芯片L293D的控制引腳輸出高電平。
    (2)尋光模塊：當黑線數為3時運行本模塊，當光強檢測電路的檢測信號為高電平時認為左端的光照較強，小車左拐，反之右拐。
    (3)路程測量模塊：在小車的車輪上有黑、白相間且間距相同的扇形花紋，當車輪轉動時車輪內側的光電傳感器產生高低變化的電信號，經過比較器比較產生脈沖信號，控制芯片通過對脈沖計數并與標定的數值相乘得出小車行駛的路程。
    (4)LED指示燈指示模塊，車首兩端分別有3個顏色分別為紅、黃、綠的LED指示燈指示小車的速度，綠燈亮時小車行駛在高速區，黃燈亮時小車行駛在低速區，紅燈亮時小車到達終點停止。車前部兩側各有一個LED指示燈指示小車拐動方向，左拐時左燈亮，右拐時右燈亮。車尾有4個LED指示燈指示小車已測黑線的數量，每測一條黑線增加一個LED指示燈亮。
4 抗干擾措施
    需要對黑線檢測和障礙物檢測的信號采取抗干擾措施。具體如下：當檢測到黑線或障礙物時，延時一段時間后再次檢測，若還是黑線或障礙物，則確定其為黑線或障礙物，否則認為其為干擾不予理睬[7]。具體實現程序如下：
    PROCESS(a,clk)
        VARIABLE m1,m2 : INTEGER RANGE 0 TO 8191;
        BEGIN
        IF clk=′1′ AND clk'EVENT THEN
            IF a=″00″ THEN
                m2:=0;
                IF m1=8190 THEN
                    m1:=0;
                    IF a=″00″ THEN
                        r1<=&prime;1&prime;;
                    END IF;
                ELSE
                    m1:=m1+1;
                END IF;
            ELSE
                m1:=0;
                IF m2=8190 THEN
                    m2:=0;
                    r1<=&prime;0&prime;;
                ELSE
                    m2:=m2+1;
                END IF;
            END IF;
            END IF;
        END PROCESS;
5 仿真測試
    仿真測試時序如圖7所示。其中，A所指示的位置為車底的兩個光電傳感器同時檢測到黑線，經過去抖處理后黑線數目加1；B所指示的區域為高速區，小車高速行駛在此區域，當車底一側的光電傳感器檢測到黑線時，小車相應地調整軌跡使其沿黑線行駛；C所指示的區域為減速區，小車在此區域中行駛的速度較慢，約為高速區的1/4，此區域中存在很多彎道，當車底一側的光電傳感器檢測到黑線時，小車也相應地調整軌跡沿黑線行駛；D所指示的區域為尋光區，小車進入此區域后立刻開始尋光并朝光線較強的方向行駛，小車在此區域中的速度與低速區相同；E所指示的位置為終點，當小車檢測到終點線后停止運行。由仿真圖可知，小車在理想情況下可順利地通過高速尋軌區、低速尋軌區、尋光區，并在檢測到終點線后停止運行。

    FPGA的運算速度非常快，保證了小車的平穩運行，且其并行執行過程讓點陣式液晶顯示更加方便。FPGA在程序并行控制方面充分顯示了其優越性，并且運行準確。今后將會對本設計進行擴展以及更進一步的開發。
參考文獻
[1] 何偉，秦江云，張玲，等.基于SoPC的多用途無線監控報 警系統[J].電子技術應用，2011，37(2)：33-35.
[2] 周渝斌.基于FPGA+DSP的智能車全景視覺系統[J].電子技術應用，2011，37(3)：38-41.
[3] POUSSIER S，RABAH H，WEBER S.SoPC-based embedded smart strain gage sensor[C].12th International Conference, FPL 2002 Montpellier，France，2002：1131-1134.
[4] Cao Liting，Jiang Wei，Zhang Zhaoli.Automatic meter reading system based on wireless mesh networks and SoPC  technology[C].Intelligent Networks and Intelligent Systems，ICINIS'09，Second International Conference，2009：142-145.
[5] 雷伏容．VHDL電路設計[M]．北京：清華大學出版社，2007.
[6] 徐惠民，安德寧．數字邏輯設計與VHDL語言描述[M]．北京：機械工業出版社，2010.
[7] 薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE9.x FPGA/CPLD設計指南[M].北京：人民郵電出版社，2007.