基于FPGA的汽車安防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周殿鳳 董波 畢志超 朱忠華 周葛壘 沈法華

摘?要：為了幫助駕駛員養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣，提高交通安全，本文以FPGA為核心控制器設(shè)計(jì)了汽車安防控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由FPGA開發(fā)平臺(tái)、藍(lán)牙模塊、超聲波測(cè)距模塊、紅外感應(yīng)模塊、火焰模塊、溫度傳感器模塊、一氧化碳檢測(cè)模塊和語(yǔ)音提醒模塊組成。在Quartus II編譯環(huán)境下運(yùn)用VHDL語(yǔ)言編程驅(qū)動(dòng)FPGA控制各個(gè)模塊，利用多個(gè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，并使用語(yǔ)音提醒模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能同步處理并且快速響應(yīng)多種報(bào)警和語(yǔ)音提醒，完全達(dá)到了預(yù)期效果，具有很好的檢測(cè)和預(yù)警作用。該安防控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大、小巧靈活、便于升級(jí)。

關(guān)鍵詞：FPGA;疲勞駕駛;語(yǔ)音提醒模塊;藍(lán)牙模塊

中圖分類號(hào)：TP373

Abstract：In order to improve the driver's driving habits and reduce the traffic accident rate as much as possible，the vehicle security control system based on FPGA is designed.The system is mainly composed of FPGA development platform，Bluetooth module，ultrasonic ranging module，human body infrared sensing module，flame sensor module，temperature sensor module，carbon monoxide detecting module，fatigue driving and voice reminding module.In Quartus II compiler，all modules are driven by FPGA with VHDL language.Each sensor module is used to monitor the surrounding environment data in real time，and voice reminder module is used for real-time alarm.The test results show that the system can deal with and respond to many kinds of alarms and voice alerts synchronously.It has achieved the expected effect and has a good detection and alarm function.The security control system is powerful，compact，and easy to upgrade.

Key words：FPGA;fatigue driving;voice reminder;Bluetooth module

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，汽車已成為家庭生活必需品，家庭汽車保有量逐年上升，與此同時(shí)，交通事故發(fā)生率也在提高。另外，駕駛員的安全駕車意識(shí)和社會(huì)公眾交通安全意識(shí)的不足也大大提高了交通事故的發(fā)生率。目前市場(chǎng)上的汽車安防系統(tǒng)還大多停留在倒車?yán)走_(dá)、胎壓監(jiān)測(cè)和安全帶報(bào)警等[1，2]，而這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以應(yīng)付現(xiàn)今狀況多發(fā)的用車環(huán)境。本文旨在設(shè)計(jì)一個(gè)多角度的汽車安防控制系統(tǒng)，對(duì)車內(nèi)車外多個(gè)環(huán)境因素檢測(cè)并及時(shí)給出語(yǔ)音提醒，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有類似的研究。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以FPGA開發(fā)平臺(tái)為控制核心，由超聲波測(cè)距模塊、人體紅外感應(yīng)模塊、藍(lán)牙模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、溫度傳感器模塊、一氧化碳檢測(cè)模塊、疲勞駕駛和語(yǔ)音提醒模塊組成。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該汽車安防控制系統(tǒng)使用多路傳感器對(duì)汽車內(nèi)外多種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)做出反應(yīng)。當(dāng)駕駛員行車時(shí)，利用超聲波感應(yīng)前方和左右兩側(cè)視覺(jué)死角，如果有其他車輛或障礙物時(shí)，用蜂鳴器和指示燈提示駕駛員;當(dāng)汽車啟動(dòng)時(shí)，用紅外傳感器對(duì)車底進(jìn)行感應(yīng)，檢測(cè)車下是否有生命體，避免造成傷害;當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到車內(nèi)有明火時(shí)，F(xiàn)PGA立即報(bào)警，防止發(fā)生火災(zāi);當(dāng)一氧化碳濃度傳感器檢測(cè)到車內(nèi)一氧化碳濃度值達(dá)到安全值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛員和乘客開窗通風(fēng);當(dāng)駕駛員連續(xù)駕車時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能造成疲勞駕駛時(shí)，用語(yǔ)音提醒駕駛員停車休息。設(shè)計(jì)中加入藍(lán)牙模塊以實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)線傳輸，車主可以使用手機(jī)端APP關(guān)閉和開始所有模塊。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測(cè)距模塊

利用超聲波回聲感應(yīng)原理檢測(cè)傳感器前方有無(wú)物體，運(yùn)用聲音傳播速度和接受回波時(shí)間計(jì)算障礙物的距離。在汽車前方、左側(cè)和右側(cè)三個(gè)駕駛員視線死角處分別安裝超聲波傳感器，同時(shí)在面板上設(shè)置三個(gè)LED燈指示前方、左側(cè)和右側(cè)以方便駕駛員辨識(shí)障礙物的具體位置。當(dāng)檢測(cè)到車輛左右兩邊20—100cm內(nèi)存在車輛時(shí)，蜂鳴器以5Hz的頻率進(jìn)行鳴叫;當(dāng)超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)到左右兩邊20cm內(nèi)存在車輛時(shí)，蜂鳴器持續(xù)尖銳鳴叫。當(dāng)檢測(cè)到車輛前方100—150cm內(nèi)存在車輛時(shí)，蜂鳴器以1Hz進(jìn)行鳴叫。當(dāng)檢測(cè)到車輛前方20—100cm內(nèi)存在車輛時(shí)，蜂鳴器以5Hz進(jìn)行鳴叫;當(dāng)檢測(cè)到車輛前方20cm內(nèi)存在車輛時(shí)，蜂鳴器一直鳴叫。任一方向有障礙物，其對(duì)應(yīng)的指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫提醒功能在汽車泊位后自動(dòng)關(guān)閉。在實(shí)際控制中，由FPGA以一定的頻率發(fā)出一個(gè)10us以上的高電平脈沖信號(hào)作為超聲波測(cè)距的啟動(dòng)信號(hào)，超聲波啟動(dòng)后傳感器內(nèi)部緊跟著發(fā)出8個(gè)40KHz方波脈沖，脈沖遇障礙物后發(fā)回回波信號(hào)[3]。為了提高檢測(cè)效果，測(cè)量周期不應(yīng)低于60ms，本系統(tǒng)選擇100ms。

2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙和FGPA之間的通信選用UART異步串口方式實(shí)現(xiàn)，波特率選擇9600。首先對(duì)藍(lán)牙芯片進(jìn)行設(shè)置，其次在手機(jī)上下載安裝藍(lán)牙串口助手APP，開啟APP搜索本系統(tǒng)中的藍(lán)牙，自動(dòng)匹配[4]，然后可通過(guò)藍(lán)牙助手APP發(fā)送信息，藍(lán)牙模塊接收信號(hào)后將數(shù)值傳給FPGA，F(xiàn)PGA處理數(shù)據(jù)并根據(jù)需要發(fā)出相對(duì)應(yīng)的控制指令，控制系統(tǒng)其他模塊的工作。藍(lán)牙電路原理圖如圖3所示。FPGA對(duì)藍(lán)牙進(jìn)行控制時(shí)，必須采用狀態(tài)機(jī)，否則無(wú)法正確傳輸數(shù)據(jù)。

2.3 紅外感應(yīng)模塊

本系統(tǒng)采用熱紅外LHI778探測(cè)熱源，車底選擇合適的位置安裝2個(gè)探頭，當(dāng)有人或者寵物等熱源進(jìn)入其感應(yīng)范圍時(shí)，輸出一個(gè)低電平脈沖信號(hào)[5]，此信號(hào)與FPGA引腳相連。如果FPGA識(shí)別到車底紅外探測(cè)器送過(guò)來(lái)的低電平，將觸發(fā)語(yǔ)音模塊播放語(yǔ)音提示：“車下有生命，請(qǐng)下車查看”。當(dāng)熱源完全消失后，模塊輸出高電平，此時(shí)語(yǔ)音模塊停止工作。本模塊的感應(yīng)范圍可達(dá)3米。

2.4 火焰模塊、溫度模塊和一氧化碳傳感器模塊

這3個(gè)模塊用于監(jiān)測(cè)車內(nèi)環(huán)境。當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到車內(nèi)有明火時(shí)，立即發(fā)出報(bào)警以免火勢(shì)變大。當(dāng)一氧化碳濃度傳感器檢測(cè)到車內(nèi)一氧化碳濃度值超過(guò)安全值時(shí)，用蜂鳴器報(bào)警，提醒車內(nèi)環(huán)境不佳，必須通風(fēng)，此舉亦可友善提醒駕駛員和乘客不要在車內(nèi)抽煙[6]。溫度傳感器用于顯示車內(nèi)溫度，此模塊通過(guò)DS18B20檢測(cè)車內(nèi)溫度[7]，再將數(shù)據(jù)傳給FPGA，數(shù)據(jù)處理和溫度顯示均通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)。如果炎炎夏日，家長(zhǎng)將孩子遺忘在車內(nèi)，自己出去和好友聊天，一時(shí)忘了時(shí)間，當(dāng)車內(nèi)溫度超過(guò)40攝氏度，車內(nèi)紅外傳感器檢測(cè)到車內(nèi)有人，F(xiàn)PGA便會(huì)發(fā)出指令讓蜂鳴器發(fā)出尖銳的報(bào)警聲提醒家長(zhǎng)。將這3種傳感器安裝于車內(nèi)適當(dāng)位置，傳感器的輸出引腳分別與FPGA相連，由FPGA全程控制其工作。

2.5 疲勞駕駛和語(yǔ)音提醒模塊

語(yǔ)音提醒模塊留有一個(gè)SD卡接口，可根據(jù)需要事先將錄好的音頻存入SD。此電路留有8個(gè)低電平啟動(dòng)的接口，分別與FPGA引腳相連，根據(jù)需要播放SD卡中內(nèi)容，可以播放8種不同的聲音，每種聲音播放時(shí)間不受限制。利用FPGA對(duì)連續(xù)駕駛時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)連續(xù)駕駛時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)發(fā)出不同的語(yǔ)音提醒。如連續(xù)駕駛3小時(shí)時(shí)，語(yǔ)音播放模塊播放設(shè)定好的提醒語(yǔ)音：“您已連續(xù)駕車3小時(shí)，請(qǐng)注意休息，良好的休息是行車的保障?！庇纱颂崾抉{駛員停車休息，保證駕駛員的精神狀態(tài)良好，有效減少駕駛員行車發(fā)生意外的幾率。其他時(shí)間段以及對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音提醒可根據(jù)需要設(shè)定，此模塊大部分任務(wù)由軟件編程實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以Quartus II為開發(fā)環(huán)境，采用VHDL語(yǔ)言編寫。開機(jī)后系統(tǒng)首先初始化，各個(gè)模塊同時(shí)開始工作，如果不需要某個(gè)模塊工作，可通過(guò)藍(lán)牙關(guān)閉。各傳感器將數(shù)據(jù)送給FPGA處理，F(xiàn)PGA開發(fā)板上晶振頻率100MHz，處理速度極快，F(xiàn)PGA將根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出不同指令。各模塊主程序采用循環(huán)方式，順序查詢各輸入端口和控制端口，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)該模塊主程序跳入并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的子程序，結(jié)束后又跳入主程序循環(huán)。系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用FPGA將超聲波傳感器、人體紅外傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器和CO傳感器以并行的方式結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多項(xiàng)數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)可以有效地、全面地檢測(cè)出車主在用車過(guò)程中存在的安全隱患，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)警。在此基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)中加入了藍(lán)牙模塊和語(yǔ)音播放模塊，讓所有檢測(cè)到的危險(xiǎn)信號(hào)通過(guò)聲音的方式傳遞給使用者，并且用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制各模塊報(bào)警。本系統(tǒng)采用硬件描述語(yǔ)言VHDL進(jìn)行編程驅(qū)動(dòng)FPGA芯片，大大降低了硬件開發(fā)的難度，同時(shí)也為本設(shè)計(jì)的升級(jí)改進(jìn)創(chuàng)造了條件，本系統(tǒng)適用于各種車型，使用廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢剛，劉冠男.基于ARM9的汽車安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息，2016（05）：149.

[2]郝玉芳，王權(quán)兵，華艷秋.汽車超聲波測(cè)距防撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2015（03）：33.

[3]周殿鳳，康素成，王俊華.基于CPLD的ATM安全警示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2009，35（3）：34-36.

[4]張漪，張珊，昝麗霞，曾孟佳，黃旭.基于Android移動(dòng)端的應(yīng)用程序與藍(lán)牙模塊間數(shù)據(jù)通信研究[J].現(xiàn)代信息科技，2019（08）：56-58+61.

[5]王東，莫先.基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2016，30（06）：135-142.

[6]張平川，薛宏甫.基于單片機(jī)的轎車內(nèi)一氧化碳?xì)怏w測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（07）：140-142+145.

[7]張仲明，郭東偉，呂巍，張立明.基于DS18B20溫度傳感器的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（05）：76-79+88.

作者簡(jiǎn)介：周殿鳳（1978—?），女，江蘇寶應(yīng)人，碩士，講師，主要從事電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。