基于FPGA的車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳思+劉凡永+馬睿+陳景霞

摘要：本文采用Xilinx系列的FPGA作為控制核心，設(shè)計(jì)了車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)通過多個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)信號，信號經(jīng)過調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路后輸入到FPGA模塊中，然后，通過在ISE14.4開發(fā)平臺(tái)上編寫控制代碼，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息在TFT-LCD液晶屏上實(shí)時(shí)顯示并及時(shí)報(bào)警。

關(guān)鍵詞：FPGA；傳感器；液晶屏

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0171-01

現(xiàn)在汽車已經(jīng)成為很普遍的交通工具，隨著汽車的普及，駕駛員所處的駕駛環(huán)境在一定程度上影響著駕駛員的精神狀態(tài)，較差的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致駕駛員疲勞和精神萎靡不振，容易誘發(fā)交通事故。所以對汽車內(nèi)駕駛員駕駛環(huán)境的監(jiān)測是十分必要的。目前研究中控制環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要使用單片機(jī)、溫度計(jì)濕度計(jì)等簡單設(shè)備，這樣容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)不夠精確，實(shí)時(shí)性不夠強(qiáng)，操作流程較繁瑣等問題[1]。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測并顯示當(dāng)前車內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳濃度等參數(shù)狀態(tài)量；如果檢測到的數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的閾值，監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào)聲，提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施[2]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分和系統(tǒng)控制部分組成。本系統(tǒng)采用型號為XC6SLX9-2FTG256C的FPGA作為核心處理器，采用多種傳感器作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過軟件編寫控制程序，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到TFT液晶顯示屏。系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)框架如圖1所示。

傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集車內(nèi)的溫度、濕度以及二氧化碳濃度參數(shù)，傳感器通過與車內(nèi)環(huán)境接觸，獲取對應(yīng)的環(huán)境信息，經(jīng)過信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換等電路后，數(shù)據(jù)被送入到系統(tǒng)控制中心FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊通過分析處理數(shù)據(jù)，并將傳感器采集到的參數(shù)信息發(fā)送至TFT液晶屏實(shí)時(shí)顯示；同時(shí)，如果測得的數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，報(bào)警模塊就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音[3]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 FPGA核心控制模塊

本設(shè)計(jì)所使用的FPGA型號為XC6SLX9-2FTG256C，屬于Xilinx公司Spartan-6的產(chǎn)品。此型號BGA封裝，具有256個(gè)引腳。采用JTAG接口作為FPGA的配置和調(diào)試接口。FPGA芯片是可編程的，它的內(nèi)部是生成一些邏輯門、觸發(fā)器等數(shù)字電路，既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能，有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

2.2 溫度、濕度以及二氧化碳濃度傳感器模塊

溫度傳感器采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)自身電阻也隨著發(fā)生變化的特性來測量溫度的。熱電阻的感溫元件是用細(xì)金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上。當(dāng)被測介質(zhì)中有溫度發(fā)生變化時(shí)，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)中的平均溫度。

濕度傳感器采用電容式濕敏元件，當(dāng)環(huán)境濕度改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，從而使得其電容量也發(fā)送變化，而其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容具有靈敏度高、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

二氧化碳傳感器采用紅外線氣敏傳感器，含有紅外線光源和紅外線探針，紅外線探針用于測量沒有被二氧化碳分子吸收的輻射量。二氧化碳的濃度越大，到達(dá)紅外線光源檢測器的輻射量就越小，隨溫度上升，紅外線探針產(chǎn)生電壓。此傳感器具有精度高、選擇性好、濃度檢測范圍大等特點(diǎn)。

溫度、濕度以及二氧化碳傳感器的原理都是通過傳感器檢測到的溫度、濕度以及二氧化碳濃度轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路后送入FPGA模塊，由FPGA模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與分析等[4]。

2.3 液晶顯示屏模塊

液晶顯示模塊選擇AN430模塊，該模塊配備有4.3英寸的TFT-LCD模塊（TM043NBH02），顯示像素為480×272，包含LED背光單元，采用真彩色24位的并行RGB接口。本設(shè)計(jì)通過編寫代碼，在液晶顯示屏上顯示所測得的數(shù)據(jù)參數(shù)并實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)信息。

2.4 報(bào)警模塊

蜂鳴器電路通過一個(gè)三極管進(jìn)行控制，當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響；當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器不響。本設(shè)計(jì)通過蜂鳴器電路為系統(tǒng)提供報(bào)警信號，當(dāng)系統(tǒng)所測是數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，F(xiàn)PGA模塊發(fā)送控制命令給蜂鳴器電路，該電路就根據(jù)發(fā)送的命令做出相應(yīng)的響應(yīng)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試

3.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是在Xilinx ISE14.4版本的集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試的。Xilinx 是全球領(lǐng)先的可編程邏輯完整解決方案的供應(yīng)商，研發(fā)、制造并銷售應(yīng)用范圍廣泛的高級集成電路、軟件設(shè)計(jì)工具，具有界面友好、操作簡單的特點(diǎn)，其軟件功能很強(qiáng)大。采用Verilog語言編寫核心控制程序，主要包括電源初始化模塊，對A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并在TFT-LCD液晶屏上實(shí)時(shí)顯示，必要的時(shí)候控制系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)聲。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

在Xilinx開發(fā)平臺(tái)上將程序編寫完成后下載到主板上，然后對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試測試：

（1）對主板上電，測試各個(gè)模塊是否正常工作；（2）分別用溫度、濕度以及二氧化碳傳感器測試當(dāng)前車內(nèi)對應(yīng)的參數(shù)值；（3）通過FPGA模塊的分析處理，在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示三個(gè)傳感器的參數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過FPGA模塊，判斷是否超過預(yù)設(shè)的閾值，如果超過預(yù)設(shè)的閾值，就立即控制蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，如果沒有超過，就繼續(xù)監(jiān)測；（4）不斷重復(fù)步驟（3）的內(nèi)容，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前車內(nèi)環(huán)境狀態(tài)量。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)是基于FPGA開發(fā)的車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用XILINX系列芯片，性能高、低功耗；在Xilinx平臺(tái)的上，采用Verilog語言編程的方式，完成整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)工作，具有實(shí)時(shí)性高、處理速度快、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。為創(chuàng)造出更好的車內(nèi)環(huán)境，更好的駕車乘車體驗(yàn)提供保障，在現(xiàn)代交通工具中具有很高的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]韓貝貝，舒濤，薛倫生.基于MSP430微控制器的車內(nèi)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010， 26（26）：89-90.

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[4]張艷麗，楊仁弟.數(shù)字溫濕度傳感器SHT11及其應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化，2007（3）：113-114.

Abstract：In this paper， based on the Xilinx series of FPGA chips， the in-vehicle environment monitoring system is constructed. First， the system through a number of sensors to collect data signals， the signal through the conditioning circuit and A / D conversion circuit into the FPGA module， and then， through the ISE14.4 development platform to write control code， the sensor data collected in the TFT-LCD real-time display on the LCD screen and timely alarm.

Key Words：FPGA；sensors；TFT-LCDendprint