基于FPGA的藍牙智能小車的設計與實現

周慶芳

【摘要】針對傳統的智能控制系統中傳輸介質依賴、實時性不高、安全性不好以及軟硬件匹配工程浩大、成本高的問題本系統基于藍牙無線傳輸技術以及FPGA技術設計實現智能控制小車，充分利用藍牙技術和FPGA的天然優勢。

【關鍵詞】FPGA 藍牙智能小車 設計

一、設計原理

本實例以FPGA為下位機，智能手機為上位機，通過藍牙接口實現智能手機與FPGA開發板的通信，進一步達到手機對小車的控制。現代的大部分電子產品都基于可編程的中央處理器，這些處理器都可以與藍牙芯片進行串口通信，藍牙技術的適用性十分廣泛。基于藍牙技術的智能控制系統，只需在載有處理器的下位機上增加藍牙模塊，配置通信協議，實現串口通信，就可以實現基于藍牙技術的智能控制系統。

二、硬件設計

（一）電機驅動模塊的設計

本系統使用L298N作為電機驅動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它相應頻率高，一片L298N可以同時驅動2個二相或1個四相步進電機，接收標準TTL邏輯準位信號，且可以直接透過電源來調節輸出電壓。此芯片可直接由FPGA的10端口來提供模擬時序信號。ISEN A和ISEN B可與電流偵測用電阻連接來控制負載的電路；OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間可分別接2個步進電機；IN1～IN4輸入控制電位來控制電機的正反轉；使能端ENA和EN B則控制電機停轉。用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩定性好，性能優良。

（二）超聲波模塊的設計

本系統使用的超聲波模塊主要實現的功能是測距并返回數據。超聲波測距模塊通過發射電路和接收電路測出時間差T，然后根據公式S=CT/2算出小車距離障礙物的距離S（其中C為超聲波在空氣中的傳播速度）。FPGA實時接收和處理距離信號，并將處理后的信號轉換為控制指令。當到達警報距離時，FPGA控制電機驅動模塊使小車減速；當到達極限距離時，FPGA控制電機驅動模塊使小車馬上左轉。此處的左轉是依照左手定則，當小車的前方和左方都有障礙物時，小車左轉兩次，實現向后運動。

（三）藍牙模塊的設計

本系統使用的藍牙模塊是SH-HC-06，利用串口UART協議進行收發數據。手機藍牙作為客戶端，小車上的藍牙模塊作為服務端。客戶端通過藍牙與服務端進行數據傳輸，服務端將接收到的客戶端信號傳給FPGA控制模塊，FPGA接收并處理數據，然后再把處理后的數據發回去。發送格式為：1bit起始位，8bit數據，1bit停止位。整個通信處理過程可細分為數據接收和數據發送。

三、系統綜合與仿真測試

1.超聲波模塊

在超聲波模塊仿真過程中，涉及藍牙模塊實時采集數據，但是仿真環境中無法實現。

2.砸動模塊

圖1為小車驅動控制模塊仿真圖，CLK為時鐘信號輸入端，RESET為重置信號輸入端，PWM_Data為占空比信號輸入端，Car_State為小車狀態控制輸入端，ENA、ENB、ENC、END為占空比輸出端，IN1、IN2、IN3、IN4為小車驅動控制模塊控制電機的輸出端。在本次仿真中，占空比設置為20，小車狀態為O時四個電機均無輸出；小車狀態為1時，小車前進，輸出狀態為1010；小車狀態為2時，小車掉頭，輸出狀態為0101；小車狀態為3時，小車左轉，輸出狀態為0110；小車狀態為4時，小車右轉，輸出狀態為1001。

四、系統總結

本文詳細介紹了基于FPGA的超聲波避障小車的設計過程。該系統可以藍牙技術實現智能手機與智能小車的無線通信，將智能手機作為上位機，FPGA開發板作為下位機，實現對智能小車的遙控。在系統的硬件調試過程中，該基于FPGA的超聲波避障小車能夠正確地實現超聲波測距的功能，并由FPGA控制電機驅動模塊，實現小車的運動和避障，可廣泛應用于工業控制、廣播電視、視頻監控、網絡安全以及汽車電子等方面，具有很好的實際應用前景。