FPGA下的汽車安防控制系統(tǒng)設計
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摘要:為了幫助駕駛員養(yǎng)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(tǒng)。該系統(tǒng)由FPGA開發(fā)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QuartusII編譯環(huán)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(jiān)測周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，并使用語音提醒模塊進行實時報警。測試結果表明，本系統(tǒng)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(tǒng)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
隨著我國經(jīng)濟高速發(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，交通事故發(fā)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(fā)生率。目前市場上的汽車安防系統(tǒng)還大多停留在倒車雷達、胎壓監(jiān)測和安全帶報警等［1，2］，而這遠遠不足以應付現(xiàn)今狀況多發(fā)的用車環(huán)境。本文旨在設計一個多角度的汽車安防控制系統(tǒng)，對車內(nèi)車外多個環(huán)境因素檢測并及時給出語音提醒，國內(nèi)尚沒有類似的研究。
1整體設計方案
本系統(tǒng)以FPGA開發(fā)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?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。整體設計方案如圖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)進行實時監(jiān)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?zhèn)鞲衅鳈z測到車內(nèi)有明火時，F(xiàn)PGA立即報警，防止發(fā)生火災;當一氧化碳濃度傳感器檢測到車內(nèi)一氧化碳濃度值達到安全值時，蜂鳴器發(fā)出報警，提醒駕駛員和乘客開窗通風;當駕駛員連續(xù)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)存在車輛時，蜂鳴器持續(xù)尖銳鳴叫。當檢測到車輛前方100—150cm內(nèi)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(nèi)存在車輛時，蜂鳴器以5Hz進行鳴叫;當檢測到車輛前方20cm內(nèi)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(fā)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(nèi)部緊跟著發(fā)出8個40KHz方波脈沖，脈沖遇障礙物后發(fā)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(tǒng)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(xiàn)，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(tǒng)中的藍牙，自動匹配［4］，然后可通過藍牙助手APP發(fā)送信息，藍牙模塊接收信號后將數(shù)值傳給FPGA，F(xiàn)PGA處理數(shù)據(jù)并根據(jù)需要發(fā)出相對應的控制指令，控制系統(tǒng)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(tài)機，否則無法正確傳輸數(shù)據(jù)。
2．3紅外感應模塊
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(fā)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(jiān)測車內(nèi)環(huán)境。當火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到車內(nèi)有明火時，立即發(fā)出報警以免火勢變大。當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，用蜂鳴器報警，提醒車內(nèi)環(huán)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(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，一時忘了時間，當車內(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便會發(fā)出指令讓蜂鳴器發(fā)出尖銳的報警聲提醒家長。將這3種傳感器安裝于車內(nèi)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(jù)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(jù)需要播放SD卡中內(nèi)容，可以播放8種不同的聲音，每種聲音播放時間不受限制。利用FPGA對連續(xù)駕駛時間進行統(tǒng)計，當連續(xù)駕駛時間達到一定值時發(fā)出不同的語音提醒。如連續(xù)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(xù)駕車3小時，請注意休息，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。其他時間段以及對應的語音提醒可根據(jù)需要設定，此模塊大部分任務由軟件編程實現(xiàn)。
3系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)以QuartusII為開發(fā)環(huán)境，采用VHDL語言編寫。開機后系統(tǒng)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(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，當有信號輸入時該模塊主程序跳入并執(zhí)行對應的子程序，結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結論
本設計采用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合到一起，實現(xiàn)了對多項數(shù)據(jù)的同時監(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，并對其進行預警。在此基礎上，在系統(tǒng)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(xiàn)無線控制各模塊報警。本系統(tǒng)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(fā)的難度，同時也為本設計的升級改進創(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：鹽城師范學院