基于FPGA的汽車安防控制系統設計

周殿鳳 董波 畢志超 朱忠華 周葛壘 沈法華

摘?要：為了幫助駕駛員養成良好的駕駛習慣，提高交通安全，本文以FPGA為核心控制器設計了汽車安防控制系統。該系統由FPGA開發平臺、藍牙模塊、超聲波測距模塊、紅外感應模塊、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Quartus II編譯環境下運用VHDL語言編程驅動FPGA控制各個模塊，利用多個傳感器實時監測周圍環境數據，并使用語音提醒模塊進行實時報警。測試結果表明，本系統能同步處理并且快速響應多種報警和語音提醒，完全達到了預期效果，具有很好的檢測和預警作用。該安防控制系統功能強大、小巧靈活、便于升級。

關鍵詞：FPGA;疲勞駕駛;語音提醒模塊;藍牙模塊

中圖分類號：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

隨著我國經濟高速發展，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，交通事故發生率也在提高。另外，駕駛員的安全駕車意識和社會公眾交通安全意識的不足也大大提高了交通事故的發生率。目前市場上的汽車安防系統還大多停留在倒車雷達、胎壓監測和安全帶報警等[1，2]，而這遠遠不足以應付現今狀況多發的用車環境。本文旨在設計一個多角度的汽車安防控制系統，對車內車外多個環境因素檢測并及時給出語音提醒，國內尚沒有類似的研究。

1 整體設計方案

本系統以FPGA開發平臺為控制核心，由超聲波測距模塊、人體紅外感應模塊、藍牙模塊、火焰傳感器模塊、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。整體設計方案如圖1所示。該汽車安防控制系統使用多路傳感器對汽車內外多種環境數據進行實時監測并及時做出反應。當駕駛員行車時，利用超聲波感應前方和左右兩側視覺死角，如果有其他車輛或障礙物時，用蜂鳴器和指示燈提示駕駛員;當汽車啟動時，用紅外傳感器對車底進行感應，檢測車下是否有生命體，避免造成傷害;當火焰傳感器檢測到車內有明火時，FPGA立即報警，防止發生火災;當一氧化碳濃度傳感器檢測到車內一氧化碳濃度值達到安全值時，蜂鳴器發出報警，提醒駕駛員和乘客開窗通風;當駕駛員連續駕車時間過長，可能造成疲勞駕駛時，用語音提醒駕駛員停車休息。設計中加入藍牙模塊以實現信號無線傳輸，車主可以使用手機端APP關閉和開始所有模塊。

2 功能模塊設計

2.1 超聲波測距模塊

利用超聲波回聲感應原理檢測傳感器前方有無物體，運用聲音傳播速度和接受回波時間計算障礙物的距離。在汽車前方、左側和右側三個駕駛員視線死角處分別安裝超聲波傳感器，同時在面板上設置三個LED燈指示前方、左側和右側以方便駕駛員辨識障礙物的具體位置。當檢測到車輛左右兩邊20—100cm內存在車輛時，蜂鳴器以5Hz的頻率進行鳴叫;當超聲波測距模塊檢測到左右兩邊20cm內存在車輛時，蜂鳴器持續尖銳鳴叫。當檢測到車輛前方100—150cm內存在車輛時，蜂鳴器以1Hz進行鳴叫。當檢測到車輛前方20—100cm內存在車輛時，蜂鳴器以5Hz進行鳴叫;當檢測到車輛前方20cm內存在車輛時，蜂鳴器一直鳴叫。任一方向有障礙物，其對應的指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫提醒功能在汽車泊位后自動關閉。在實際控制中，由FPGA以一定的頻率發出一個10us以上的高電平脈沖信號作為超聲波測距的啟動信號，超聲波啟動后傳感器內部緊跟著發出8個40KHz方波脈沖，脈沖遇障礙物后發回回波信號[3]。為了提高檢測效果，測量周期不應低于60ms，本系統選擇100ms。

2.2 藍牙模塊

藍牙和FGPA之間的通信選用UART異步串口方式實現，波特率選擇9600。首先對藍牙芯片進行設置，其次在手機上下載安裝藍牙串口助手APP，開啟APP搜索本系統中的藍牙，自動匹配[4]，然后可通過藍牙助手APP發送信息，藍牙模塊接收信號后將數值傳給FPGA，FPGA處理數據并根據需要發出相對應的控制指令，控制系統其他模塊的工作。藍牙電路原理圖如圖3所示。FPGA對藍牙進行控制時，必須采用狀態機，否則無法正確傳輸數據。

2.3 紅外感應模塊

本系統采用熱紅外LHI778探測熱源，車底選擇合適的位置安裝2個探頭，當有人或者寵物等熱源進入其感應范圍時，輸出一個低電平脈沖信號[5]，此信號與FPGA引腳相連。如果FPGA識別到車底紅外探測器送過來的低電平，將觸發語音模塊播放語音提示：“車下有生命，請下車查看”。當熱源完全消失后，模塊輸出高電平，此時語音模塊停止工作。本模塊的感應范圍可達3米。

2.4 火焰模塊、溫度模塊和一氧化碳傳感器模塊

這3個模塊用于監測車內環境。當火焰傳感器檢測到車內有明火時，立即發出報警以免火勢變大。當一氧化碳濃度傳感器檢測到車內一氧化碳濃度值超過安全值時，用蜂鳴器報警，提醒車內環境不佳，必須通風，此舉亦可友善提醒駕駛員和乘客不要在車內抽煙[6]。溫度傳感器用于顯示車內溫度，此模塊通過DS18B20檢測車內溫度[7]，再將數據傳給FPGA，數據處理和溫度顯示均通過FPGA實現。如果炎炎夏日，家長將孩子遺忘在車內，自己出去和好友聊天，一時忘了時間，當車內溫度超過40攝氏度，車內紅外傳感器檢測到車內有人，FPGA便會發出指令讓蜂鳴器發出尖銳的報警聲提醒家長。將這3種傳感器安裝于車內適當位置，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SD卡接口，可根據需要事先將錄好的音頻存入SD。此電路留有8個低電平啟動的接口，分別與FPGA引腳相連，根據需要播放SD卡中內容，可以播放8種不同的聲音，每種聲音播放時間不受限制。利用FPGA對連續駕駛時間進行統計，當連續駕駛時間達到一定值時發出不同的語音提醒。如連續駕駛3小時時，語音播放模塊播放設定好的提醒語音：“您已連續駕車3小時，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良好，有效減少駕駛員行車發生意外的幾率。其他時間段以及對應的語音提醒可根據需要設定，此模塊大部分任務由軟件編程實現。

3 系統軟件設計

本系統以Quartus II為開發環境，采用VHDL語言編寫。開機后系統首先初始化，各個模塊同時開始工作，如果不需要某個模塊工作，可通過藍牙關閉。各傳感器將數據送給FPGA處理，FPGA開發板上晶振頻率100MHz，處理速度極快，FPGA將根據處理結果發出不同指令。各模塊主程序采用循環方式，順序查詢各輸入端口和控制端口，當有信號輸入時該模塊主程序跳入并執行對應的子程序，結束后又跳入主程序循環。系統的程序流程圖如圖4所示。

4 結論

本設計采用FPGA將超聲波傳感器、人體紅外傳感器、火焰傳感器、溫度傳感器和CO傳感器以并行的方式結合到一起，實現了對多項數據的同時監控。本系統可以有效地、全面地檢測出車主在用車過程中存在的安全隱患，并對其進行預警。在此基礎上，在系統中加入了藍牙模塊和語音播放模塊，讓所有檢測到的危險信號通過聲音的方式傳遞給使用者，并且用藍牙實現無線控制各模塊報警。本系統采用硬件描述語言VHDL進行編程驅動FPGA芯片，大大降低了硬件開發的難度，同時也為本設計的升級改進創造了條件，本系統適用于各種車型，使用廣泛。

參考文獻：

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

[2]郝玉芳，王權兵，華艷秋.汽車超聲波測距防撞報警系統設計[J].科技風，2015（03）：33.

[3]周殿鳳，康素成，王俊華.基于CPLD的ATM安全警示系統設計[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移動端的應用程序與藍牙模塊間數據通信研究[J].現代信息科技，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設計[J].重慶理工大學學報（自然科學），2016，30（06）：135-142.

[6]張平川，薛宏甫.基于單片機的轎車內一氧化碳氣體測控系統設計[J].電子設計工程，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量系統設計[J].實驗技術與管理，2018，35（05）：76-79+88.

作者簡介：周殿鳳（1978—?），女，江蘇寶應人，碩士，講師，主要從事電子系統設計研究。