FPGA下的汽車安防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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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、一氧化碳檢測模塊和語音提醒模塊組成。在QuartusII編譯環(huán)境下運(yùn)用VHDL語言編程驅(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)測周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，并使用語音提醒模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能同步處理并且快速響應(yīng)多種報(bào)警和語音提醒，完全達(dá)到了預(yù)期效果，具有很好的檢測和預(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。

關(guān)鍵詞:FPGA;疲勞駕駛;語音提醒模塊;藍(lán)牙模塊

隨著我國經(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)，對車內(nèi)車外多個(gè)環(huán)境因素檢測并及時(shí)給出語音提醒，國內(nèi)尚沒有類似的研究。

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、一氧化碳檢測模塊、疲勞駕駛和語音提醒模塊組成。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該汽車安防控制系統(tǒng)使用多路傳感器對汽車內(nèi)外多種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并及時(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)，用紅外傳感器對車底進(jìn)行感應(yīng)，檢測車下是否有生命體，避免造成傷害;當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到車內(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)間過長，可能造成疲勞駕駛時(shí)，用語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超聲波測距模塊

利用超聲波回聲感應(yīng)原理檢測傳感器前方有無物體，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)超聲波測距模塊檢測到左右兩邊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］。為了提高檢測效果，測量周期不應(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對藍(lán)牙進(jìn)行控制時(shí)，必須采用狀態(tài)機(jī)，否則無法正確傳輸數(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)別到車底紅外探測器送過來的低電平，將觸發(fā)語音模塊播放語音提示:“車下有生命，請下車查看”。當(dāng)熱源完全消失后，模塊輸出高電平，此時(shí)語音模塊停止工作。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)測車內(nèi)環(huán)境。當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到車內(nèi)有明火時(shí)，立即發(fā)出報(bào)警以免火勢變大。當(dāng)一氧化碳濃度傳感器檢測到車內(nèi)一氧化碳濃度值超過安全值時(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DS18B20檢測車內(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FPGA實(shí)現(xiàn)。如果炎炎夏日，家長將孩子遺忘在車內(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40攝氏度，車內(nèi)紅外傳感器檢測到車內(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。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疲勞駕駛和語音提醒模塊

語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)出不同的語音提醒。如連續(xù)駕駛3小時(shí)時(shí)，語音播放模塊播放設(shè)定好的提醒語音:“您已連續(xù)駕車3小時(shí)，請注意休息，良好的休息是行車的保障。”由此提示駕駛員停車休息，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)間段以及對應(yīng)的語音提醒可根據(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QuartusII為開發(fā)環(huán)境，采用VHDL語言編寫。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、全面地檢測出車主在用車過程中存在的安全隱患，并對其進(jìn)行預(yù)警。在此基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)中加入了藍(lán)牙模塊和語音播放模塊，讓所有檢測到的危險(xiǎn)信號(hào)通過聲音的方式傳遞給使用者，并且用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無線控制各模塊報(bào)警。本系統(tǒng)采用硬件描述語言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)的升級改進(jìn)創(chuàng)造了條件，本系統(tǒng)適用于各種車型，使用廣泛。

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作者：周殿鳳 董波 畢志超 朱忠華 周葛壘 沈法華 單位：鹽城師范學(xué)院