基于FPGA的车内环境监测系统设计

陈思+刘凡永+马睿+陈景霞

摘要：本文采用Xilinx系列的FPGA作为控制核心，设计了车内环境监测系统。首先，系统通过多个传感器采集数据信号，信号经过调理电路以及A/D转换电路后输入到FPGA模块中，然后，通过在ISE14.4开发平台上编写控制代码，将传感器采集到的数据信息在TFT-LCD液晶屏上实时显示并及时报警。

关键词：FPGA；传感器；液晶屏

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）11-0171-01

现在汽车已经成为很普遍的交通工具，随着汽车的普及，驾驶员所处的驾驶环境在一定程度上影响着驾驶员的精神状态，较差的环境会导致驾驶员疲劳和精神萎靡不振，容易诱发交通事故。所以对汽车内驾驶员驾驶环境的监测是十分必要的。目前研究中控制环境监测系统主要使用单片机、温度计湿度计等简单设备，这样容易产生数据不够精确，实时性不够强，操作流程较繁琐等问题[1]。本文设计了一种基于FPGA的车内环境监测系统，该监测系统主要用于监测并显示当前车内温度、湿度以及二氧化碳浓度等参数状态量；如果检测到的数据超过预设的阈值，监测系统会立即发出警报声，提醒驾驶员采取相应的措施[2]。

1 系统的总体设计方案

监测系统主要由数据采集部分和系统控制部分组成。本系统采用型号为XC6SLX9-2FTG256C的FPGA作为核心处理器，采用多种传感器作为数据采集系统，通过软件编写控制程序，将采集的数据发送到TFT液晶显示屏。系统的具体实现框架如图1所示。

传感器模块主要负责采集车内的温度、湿度以及二氧化碳浓度参数，传感器通过与车内环境接触，获取对应的环境信息，经过信号调理、A/D转换等电路后，数据被送入到系统控制中心FPGA模块，FPGA模块通过分析处理数据，并将传感器采集到的参数信息发送至TFT液晶屏实时显示；同时，如果测得的数据超过预设的阈值时，报警模块就会发出报警声音[3]。

2 系统的硬件设计

2.1 FPGA核心控制模块

本设计所使用的FPGA型号为XC6SLX9-2FTG256C，属于Xilinx公司Spartan-6的产品。此型号BGA封装，具有256个引脚。采用JTAG接口作为FPGA的配置和调试接口。FPGA芯片是可编程的，它的内部是生成一些逻辑门、触发器等数字电路，既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能，有丰富的触发器和I/O引脚。

2.2 温度、湿度以及二氧化碳浓度传感器模块

温度传感器采用热电阻温度传感器。热电阻是利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻的感温元件是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度发生变化时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质中的平均温度。

湿度传感器采用电容式湿敏元件，当环境湿度改变时，湿敏电容的介电常数会发生变化，从而使得其电容量也发送变化，而其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容具有灵敏度高、反应速度快等特点。

二氧化碳传感器采用红外线气敏传感器，含有红外线光源和红外线探针，红外线探针用于测量没有被二氧化碳分子吸收的辐射量。二氧化碳的浓度越大，到达红外线光源检测器的辐射量就越小，随温度上升，红外线探针产生电压。此传感器具有精度高、选择性好、浓度检测范圍大等特点。

温度、湿度以及二氧化碳传感器的原理都是通过传感器检测到的温度、湿度以及二氧化碳浓度转换为电压信号，然后通过信号调理电路、A/D转换电路后送入FPGA模块，由FPGA模块进行相应的数据处理与分析等[4]。

2.3 液晶显示屏模块

液晶显示模块选择AN430模块，该模块配备有4.3英寸的TFT-LCD模块（TM043NBH02），显示像素为480×272，包含LED背光单元，采用真彩色24位的并行RGB接口。本设计通过编写代码，在液晶显示屏上显示所测得的数据参数并实时更新数据信息。

2.4 报警模块

蜂鸣器电路通过一个三极管进行控制，当输入端为低电平时，三极管导通，蜂鸣器响；当输入端为高电平时，三极管截止，蜂鸣器不响。本设计通过蜂鸣器电路为系统提供报警信号，当系统所测是数据超过阈值时，FPGA模块发送控制命令给蜂鸣器电路，该电路就根据发送的命令做出相应的响应。

3 系统的软件设计和调试

3.1 系统的软件设计

本设计是在Xilinx ISE14.4版本的集成开发环境中进行开发与调试的。Xilinx 是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商，研发、制造并销售应用范围广泛的高级集成电路、软件设计工具，具有界面友好、操作简单的特点，其软件功能很强大。采用Verilog语言编写核心控制程序，主要包括电源初始化模块，对A/D转换的数据进行分析处理并在TFT-LCD液晶屏上实时显示，必要的时候控制系统发出警报声。

3.2 系统调试

在Xilinx开发平台上将程序编写完成后下载到主板上，然后对整个系统进行调试测试：

（1）对主板上电，测试各个模块是否正常工作；（2）分别用温度、湿度以及二氧化碳传感器测试当前车内对应的参数值；（3）通过FPGA模块的分析处理，在液晶屏上实时显示三个传感器的参数数据，同时通过FPGA模块，判断是否超过预设的阈值，如果超过预设的阈值，就立即控制蜂鸣器发出警报声，如果没有超过，就继续监测；（4）不断重复步骤（3）的内容，实时显示当前车内环境状态量。

4 结语

本系统是基于FPGA开发的车内环境监测系统，采用XILINX系列芯片，性能高、低功耗；在Xilinx平台的上，采用Verilog语言编程的方式，完成整个软件的设计工作，具有实时性高、处理速度快、性能稳定等特点。为创造出更好的车内环境，更好的驾车乘车体验提供保障，在现代交通工具中具有很高的实用性。

参考文献

[1]韩贝贝，舒涛，薛伦生.基于MSP430微控制器的车内环境自动监控系统[J].微计算机信息，2010， 26（26）：89-90.

[2]王琨，刘大茂.基于多传感器的车内环境智能控制系统设计[J].洛阳师范学院学报，2016，35（2）：32-36.

[3]马昌媛，袁圆，张西良.车内空气质量检测仪研制[J].电子测量技术，2015，38（4）：117-122.

[4]张艳丽，杨仁弟.数字温湿度传感器SHT11及其应用[J].工矿自动化，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