[시스템분석및설계] 17, 18장 무선 통신 제어기 설계, 라인 트레이서 로봇 설계 예비레포트

◎ 실험 목적

▶ 무선 통신 제어기와 라인 트레이서 로봇의 동작을 VHDL로 기술하고, 시뮬레이션을 통해 동작을 검증한다.

 

◎ 이론 설명

▶ 무선 통신 제어기 설계

① RF (Radio Frequency) 통신이라고 불리는 무선 통신은 데이터를 전달하는데, 전선 같은 것이 필요 없이 처리 가능한 시스템을 일컫는다.

② 무선이란 게 성립하려면, 전선이 아닌 공기 중에 신호를 보내고 받아야 하는데 바로 그 러한 역할을 하는 게 전파이다.

③ 공기 혹은 부도체를 매질로 전자기적 파동이 전해지는 이러한 현상을 통해 RF 시스템을 구축할 수 있게 되는 것이다.

④ RF 회로 설계가 어려운 가장 큰 원인은, RF에서 다루는 주파수가 매 우 높은 고주파가 많기 때문인데, 주파수가 높으면 파장이 짧아지고, 그 때문에 선로 간 간섭도 심해지며 선로 길이 하나하나가 회로 소자 로 동작해 버리기 때문이다.

저주파에서는 회로가 설계된 대로 동작된다.

⑤ 본 키트에서 사용하는 무선 통신 주파수는 311MHz로, 데이터는 통신 방식 중의 하나인 AM(Amplitude Modulation) 변조를 하여 송신 하도록 되어 있다. < 3 Key 리모콘 송신기 >

⑥ 송수신을 원하는 송신기와 수신기 모듈의 어드레스 핀은 일치시켜 놓는다. 송신기에서 데이터를 송신할 때에는 이 어드레스 데이터도 동시에 송신한다. 따라서 비록 수신기에 의해 수신된 신호라 하더라도 정해진 어드레스가 아니면 데이터를 무시해 버리면 되는 것 이다.

▶ 라인 트레이서 로봇 설계

① 라인 트레이서(Line Tracer)란 바닥에 그려져 있는 선(line)을 따라가는 로봇을 일컫는다.

② 주행선은 흰바탕에 검은 선으로 만들거 나, 아니면 반대로 검정 바탕에 흰 선으 로 만들 수도 있다.

③ 로봇이 선을 따라 가게 하는 방법은 로봇 앞부분에 선을 감지할 수 있는 센서부와 이동 하기 위해 바퀴를 굴려 주는 모터부, 그리고 선을 잘 따라가도록 판단하고 제어해 주는 제어부를 가진 형태이다.

                                                       < 라인 트레이서 구성도 >

◎ 실험 장비

▶ Xilinx ISE

▶ ModelSIM

▶ Rov-Lab 트레이닝 키트

 

◎ 실험 순서

▶ 무선 통신 제어기 설계

① 무선 통신 제어기의 동작을 VHDL로 기술

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity rf_con is

Port ( RF_DATA : IN std_logic_vector (2 downto 0);

LED : OUT std_logic_vector (2 downto 0);

end rf_con;

archicture Behavioral of rf_con is

begin

LED <= RF_DATA;

end Behavirol;

 

< 무선 통신 제어기의 VHDL Test Bench 코드 >

 

*** Test Bench - User Defined Section ***

tb : PROCESS

BEGIN

wait for 500 ns; --will wait forever

END PROCESS;

PROCESS

BEGIN

L1 : LOOP

RF_DATA <= "000";

wait for 50 ns;

RF_DATA <= "001";

wait for 50 ns;

RF_DATA <= "010";

wait for 50 ns;

RF_DATA <= "011";

wait for 50 ns;

RF_DATA <= "100";

wait for 50 ns;

RF_DATA <= "101";

wait for 50 ns;

RF_DATA <= "110";

wait for 50 ns;

RF_DATA <= "111";

wait for 50 ns;

END LOOP L1;

END PROCESS;

*** End Test Bench - User Defined Section ***

 

 

② TestBenchWaveform으로 시뮬레이션

주어진 입력(RF_DATA)에 따라 출력(LED)이

진리표대로 정확하게 출력되는지를 검증

 

③ 트레이닝 키트로 동작 검증

주어진 입력(RF_DATA)에 따라 출력(LED)이

진리표대로 정확하게 출력되는지를 검증

 

▶ 라인 트레이서 로봇 설계

① 라인 트레이서 로봇의 동작을 VHDL로 기술

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity line_tracer is

Port(RSTB : in std_logic;

CLK_4M : in std_logic;

SENSE : in std_logic_vector(6 downto 0);

LIGHT : out std_logic_vector(6 downto 0);

MTL_A : out std_logic;

MTL_B : out std_logic;

MTL_nA : out std_logic;

MTL_nB : out std_logic;

MTR_A : out std_logic;

MTR_B : out std_logic;

MTR_nA : out std_logic;

MTR_nB : out std_logic);

end line_tracer;

architecture Behavioral of line_tracer is

signal clk_500 : std_logic;

signal mtl_speed : std_logic_vector (1 downto 0);

signal mtr_speed : std_logic_vector (1 downto 0);

signal speed_l : integer range 0 to 25000;

signal speed_r : integer range 0 to 25000;

signal motor_lcnt : integer range 0 to 25000;

signal phase_lclk : std_logic;

signal motor_rcnt : integer range 0 to 25000;

signal phase_rclk : std_logic;

signal phase_lcnt : std_logic_vector (1 downto 0);

signal phase_lout : std_logic_vector (3 downto 0);

signal phase_rcnt : std_logic_vector (1 downto 0);

signal phase_rout : std_logic_vector (3 downto 0);

begin

--=============Clock(500Hz)Generator =======================

process(RSTB, CLK_4M)

 

variable cnt : integer range 0 to 4000;

begin

if RSTB = '0' then

cnt := 0;

clk_500 <= '0';

elsif rising_edge (CLK_4M) then

if cnt >= 3999 then -- 정상 동작시

--

if cnt >= 2 then -- 시물레이션시

cnt := 0;

clk_500 <= not clk_500;

else

cnt := cnt + 1;

end if;

end if;

end process;

--============================================================================ Infrared Light Emission =========================

LIGHT(0) <= clk_500;

LIGHT(1) <= clk_500;

LIGHT(2) <= clk_500;

LIGHT(3) <= clk_500;

LIGHT(4) <= clk_500;

LIGHT(5) <= clk_500;

LIGHT(6) <= clk_500;

--======== Line Status Sensing & 좌, 우 모터 속도값 결정 =============

process(RSTB, CLK_500)

begin

if RSTB = '0' then

mtl_speed <="00"; mtr_speed <="00";

-- 느린 직진

endif falling_edge (CLK_500) then

case SENSE is

// 5개의 센서 비트로 판별

when "1110111" => mtl_speed <"11";

mtr_speed <="11"; -- 빠른 직진

when "1100011" => mtl_speed <"01";

mtr_speed <="01"; -- 느린 직진

when "1100111" => mtl_speed <"11";

mtr_speed <="10"; -- 느린 우회전

when "1000111" => mtl_speed <"11";

mtr_speed <="01"; -- 빠른 우회전

when "1001111" => mtl_speed <"11";

mtr_speed <="01"; -- 빠른 우회전

when "1011111" => mtl_speed <"11";

mtr_speed <="10"; -- 빠른 우회전

when "1110011" => mtl_speed <"10";

mtr_speed <="11"; -- 느린 좌회전

when "1111011" => mtl_speed <"01";

mtr_speed <="11"; -- 빠른 좌회전

when "1110001" => mtl_speed <"01";

mtr_speed <="11"; -- 빠른 좌회전

when "1111001" => mtl_speed <"01";

mtr_speed <="11"; -- 빠른 좌회전

when "1111101" => mtl_speed <"01";

mtr_speed <="11"; -- 빠른 좌회전

when others => mtl_speed <= "00";

mtr_speed <= "00"; -- 정지

end case;

end if;

end process;

--======= 모터속도값에 따른 좌, 우모터 속도결정 ======================

process(mtl_speed)

variable for_sim : std_logic;

begin

for_sim := -- 1 : 시물레이션시 0: 정상 동작시

if for_sim = '0' then

case mtl_speed is

when "00" => speed_l <= 0;

-- 0 Hz

when "01" => speed_l <= 19999;

-- 100 Hz

when "10" => speed_l <= 9999;

-- 200 Hz

when "11" => speed_l <= 6249;

-- 320 Hz

when others => speed_l <= 6249;

end case;

when "10" => speed_l <= 4;

when "11" => speed_l <= 2;

when others => speed_l <= 2;

end case;

end if;

end process;

process(mtr_speed)

variable for_sim : std_logic;

begin

for_sim := '0';

-- 1 : 시물레이션시 0: 정상 동작시

if for_sim = '0'; then

case mtr_speed is

when "00" => speed_r <= 0;

-- 0 Hz

when "01" => speed_r <= 19999;

-- 100Hz

when "10" => speed_r <= 9999;

-- 200Hz

when "11" => speed_r <= 6249;

-- 320Hz

when others => speed_r <= 6249;

end case;

else

case mtr_speed is

when "00" => speed_r <= 0;

when "01" => speed_r <= 8;

when "10" => speed_r <= 4;

when "11" => speed_r <= 2;

when others => speed_r <= 2;

end case;

end if;

end process;

--

분주기

process(RSTB, speed_l, CLK_4M, motor_lcnt)

begin

else

motor_lcnt <= motor_lcnt + 1;

end if;

end if;

end process;

--

분주기

process(RSTB, speed_r, CLK_4M, motor_rcnt)

begin

if RSTB = '0' or speed_r = 0 then

motor_rcnt <= 0;

phase_rclk <= '0';

elsif rising_edge (CLK_4M) then

if (motor_rcnt >= speed_r) then

motor_rcnt <= 0;

phase_rclk <= not phase_rclk;

else

motor_rcnt <= motor_rcnt + 1;

end if;

end if;

end process;

-=========== 왼쪽 모터 Phase Output(1상 여자방식) ==================

process(RSTB, phase_lclk, phase_lcnt)

begin

if RSTB = '0' then

phase_lcnt <= (others => '0');

elsif rising_edge (phase_lclk) then

when "11" => phase_lout <= "1000";

when others => phase_lout <= "0000";

end case;

end if;

end process;

-=========== 오른쪽 Phase Output(1상 여자방식) ====================

process(RSTB, phase_rclk, phase_rcnt)

begin

if RSTB = '0' then

phase_rcnt <= (others => '0');

elsif rising_edge (phase_rclk) then

phase_rcnt <= phase_rcnt + 1;

end if;

end process;

process(RSTB, phase_rcnt)

begin

if RSTB = '0' then

phase_rout <= (others => '0');

else

case phase_rcnt is

when "00" => phase_rout <= "0001";

when "01" => phase_rout <= "0010";

when "10" => phase_rout <= "0100";

when "11" => phase_rout <= "1000";

when others => phase_rout <= "0000";

end case;

end if;

end process;

--============================================================

MTL_A <= phase_lout(0);

MTL_B <= phase_lout(1);

MTL_nA <= phase_lout(2);

MTL_nB <= phase_lout(3);

MTR_A <= phase_rout(0);

MTR_B <= phase_rout(1);

MTR_nA <= phase_rout(2);

MTR_nB <= phase_rout(3);

end Behavioral;

                                              < 라인 트레이서 VHDL 코드 작성 개념도 >

 

                                             < 센서 데이터에 따른 좌,우 모터 속도 결정 >

 

 

② TestBenchWaveform으로 시뮬레이션

주어진 입력(RSTB, CLK_4M, SENSE)에 따라

출력 (LIGHT, MTL_A, MTL_B, MTL_nA, MTL_nB, MTR_A, MTR_B, MTR_nA, MTR_nB)이

진리표대로 정확하게 출력되는지를 검증

 

③ 트레이닝 키트로 동작 검증

주어진 입력(RSTB, CLK_4M, SENSE)에 따라

출력 (LIGHT, MTL_A, MTL_B, MTL_nA, MTL_nB, MTR_A, MTR_B, MTR_nA, MTR_nB)이

진리표대로 정확하게 출력되는지를 검증