基于FPGA的車內環境監測系統設計

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，設計了車內環境監測系統。首先，系統通過多個傳感器采集數據信號，信號經過調理電路以及A/D轉換電路后輸入到FPGA模塊中，然后，通過在ISE14.4開發平臺上編寫控制代碼，將傳感器采集到的數據信息在TFT-LCD液晶屏上實時顯示并及時報警。

關鍵詞：FPGA；傳感器；液晶屏

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0171-01

現在汽車已經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境在一定程度上影響著駕駛員的精神狀態，較差的環境會導致駕駛員疲勞和精神萎靡不振，容易誘發交通事故。所以對汽車內駕駛員駕駛環境的監測是十分必要的。目前研究中控制環境監測系統主要使用單片機、溫度計濕度計等簡單設備，這樣容易產生數據不夠精確，實時性不夠強，操作流程較繁瑣等問題[1]。本文設計了一種基于FPGA的車內環境監測系統，該監測系統主要用于監測并顯示當前車內溫度、濕度以及二氧化碳濃度等參數狀態量；如果檢測到的數據超過預設的閾值，監測系統會立即發出警報聲，提醒駕駛員采取相應的措施[2]。

1 系統的總體設計方案

監測系統主要由數據采集部分和系統控制部分組成。本系統采用型號為XC6SLX9-2FTG256C的FPGA作為核心處理器，采用多種傳感器作為數據采集系統，通過軟件編寫控制程序，將采集的數據發送到TFT液晶顯示屏。系統的具體實現框架如圖1所示。

傳感器模塊主要負責采集車內的溫度、濕度以及二氧化碳濃度參數，傳感器通過與車內環境接觸，獲取對應的環境信息，經過信號調理、A/D轉換等電路后，數據被送入到系統控制中心FPGA模塊，FPGA模塊通過分析處理數據，并將傳感器采集到的參數信息發送至TFT液晶屏實時顯示；同時，如果測得的數據超過預設的閾值時，報警模塊就會發出報警聲音[3]。

2 系統的硬件設計

2.1 FPGA核心控制模塊

本設計所使用的FPGA型號為XC6SLX9-2FTG256C，屬于Xilinx公司Spartan-6的產品。此型號BGA封裝，具有256個引腳。采用JTAG接口作為FPGA的配置和調試接口。FPGA芯片是可編程的，它的內部是生成一些邏輯門、觸發器等數字電路，既可實現組合邏輯功能又可實現時序邏輯功能，有豐富的觸發器和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。熱電阻是利用物質在溫度變化時自身電阻也隨著發生變化的特性來測量溫度的。熱電阻的感溫元件是用細金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上。當被測介質中有溫度發生變化時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質中的平均溫度。

濕度傳感器采用電容式濕敏元件，當環境濕度改變時，濕敏電容的介電常數會發生變化，從而使得其電容量也發送變化，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、反應速度快等特點。

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。

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換為電壓信號，然后通過信號調理電路、A/D轉換電路后送入FPGA模塊，由FPGA模塊進行相應的數據處理與分析等[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。本設計通過編寫代碼，在液晶顯示屏上顯示所測得的數據參數并實時更新數據信息。

2.4 報警模塊

蜂鳴器電路通過一個三極管進行控制，當輸入端為低電平時，三極管導通，蜂鳴器響；當輸入端為高電平時，三極管截止，蜂鳴器不響。本設計通過蜂鳴器電路為系統提供報警信號，當系統所測是數據超過閾值時，FPGA模塊發送控制命令給蜂鳴器電路，該電路就根據發送的命令做出相應的響應。

3 系統的軟件設計和調試

3.1 系統的軟件設計

本設計是在Xilinx ISE14.4版本的集成開發環境中進行開發與調試的。Xilinx 是全球領先的可編程邏輯完整解決方案的供應商，研發、制造并銷售應用范圍廣泛的高級集成電路、軟件設計工具，具有界面友好、操作簡單的特點，其軟件功能很強大。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轉換的數據進行分析處理并在TFT-LCD液晶屏上實時顯示，必要的時候控制系統發出警報聲。

3.2 系統調試

在Xilinx開發平臺上將程序編寫完成后下載到主板上，然后對整個系統進行調試測試：

（1）對主板上電，測試各個模塊是否正常工作；（2）分別用溫度、濕度以及二氧化碳傳感器測試當前車內對應的參數值；（3）通過FPGA模塊的分析處理，在液晶屏上實時顯示三個傳感器的參數數據，同時通過FPGA模塊，判斷是否超過預設的閾值，如果超過預設的閾值，就立即控制蜂鳴器發出警報聲，如果沒有超過，就繼續監測；（4）不斷重復步驟（3）的內容，實時顯示當前車內環境狀態量。

4 結語

本系統是基于FPGA開發的車內環境監測系統，采用XILINX系列芯片，性能高、低功耗；在Xilinx平臺的上，采用Verilog語言編程的方式，完成整個軟件的設計工作，具有實時性高、處理速度快、性能穩定等特點。為創造出更好的車內環境，更好的駕車乘車體驗提供保障，在現代交通工具中具有很高的實用性。

參考文獻

[1]韓貝貝，舒濤，薛倫生.基于MSP430微控制器的車內環境自動監控系統[J].微計算機信息，2010， 26（26）：89-90.

[2]王琨，劉大茂.基于多傳感器的車內環境智能控制系統設計[J].洛陽師范學院學報，2016，35（2）：32-36.

[3]馬昌媛，袁圓，張西良.車內空氣質量檢測儀研制[J].電子測量技術，2015，38（4）：117-122.

[4]張艷麗，楊仁弟.數字溫濕度傳感器SHT11及其應用[J].工礦自動化，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