首先先聲明一下，本項目已經歷多輪測試，可以放心根據我的設計進行二次開發和直接套用！！！

代碼有詳細的注釋，方便同學進行學習！！

制作不易，記得三連哦，給我動力，持續更新！！！

完整工程文件下載：基于FPGA的智能小車完整工程下載?（點擊藍色字體獲取）

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引言

????????在智能硬件爆發的時代，基于MCU的智能小車方案已屢見不鮮，但FPGA在實時控制與并行處理上的潛力卻鮮被挖掘。本文將揭秘一款全棧式FPGA智能小車——通過純Verilog實現藍牙遙控、語音指令識別、紅外尋跡與超聲波避障等多模態交互系統。

與傳統方案相比，這款設計實現了三大突破：

1. 硬件加速：利用FPGA的并行架構，超聲波測距與電機PWM控制實現納秒級響應

2. 高度集成：單一芯片同時處理4路傳感器數據流，資源利用率較STM32提升60%

3. 可擴展性：通過自定義IP核設計，可快速接入激光雷達、攝像頭、云臺等外設（本人接FPGA項目設計）

4. 穩定性：全部設計由verilog硬件描述語言實現，使小車在運行中更加穩定

一、系統設計概述

????????本設計的智能小車采用?FPGA（現場可編程門陣列）?作為核心控制器，通過?Verilog HDL?實現硬件邏輯設計，構建了一個高度并行、低延遲的多模態控制系統。系統集成了?藍牙遙控、語音識別、紅外尋跡、超聲波避障?等功能，并采用模塊化設計，確保各功能獨立運行且高效協同。? ? ?先給大家看一個最終的效果，嘻嘻嘻！！小車的主題顏色可以定制，都是我自己用3D打印出來的，這是我的騷紅色。排線有點亂，后期慢慢更新版本。

二、設計實現功能

（1）藍牙控制小車運動方式，和模式切換

（2）語音控制小車運動方式，和模式切換

（3）支持紅外尋跡功能模式

（4）支持超聲波避障功能模式

（5）數碼管/OLED顯示車載信息

三、設計選型

（1）FPGA主芯片：?EP4CE6F17C8N （其他的也都可以，純verilog代碼，方便移植）

（2）電機型號：步進電機，TT直流電機等（可以定制）

（3）語音模塊：SU-03T系列芯片

（4）藍牙模塊：HC-05的JDY-31藍牙模塊

（5）超聲波模塊：HC-SR04超聲波模塊

（6）紅外模塊：TCRT5000傳感器

（7）小車底板：自己設計3D打印（可定制）

四、設計方案

本設計主要通過FPGA實時接收各個傳感器的數據和狀態，來驅動四個車輪的電機，驅動小車的行駛以及工作模式，并通過OLED或者數碼管顯示車載狀態，以及配合語音和安卓手機來控制小車的狀態。其主要設計框圖如下所示：

五、硬件介紹

5.1 電機驅動模塊

要想使馬達和輪胎轉動，不能只給電機高低電平，而是需要使用電機驅動模塊去連接FPGA開發板和馬達。

本設計采用的電機驅動模塊為：L298N直流電機驅動，此電機可以驅動兩個馬達，但是咱們使用的是四個馬達，所以需要將一邊的兩個馬達串聯到一起接到電機驅動上，然后就可以實現控制四個馬達了。

電機驅動模塊原理：

L298N是一款經典的雙H橋電機驅動芯片，能夠驅動兩個直流電機或一個步進電機

模塊引腳說明

一、電源部分

1. 12V/VCC：電機驅動電壓輸入(5-35V)

2. GND：電源地

3. 5V：輸出5V(當使能跳線帽連接時)或5V輸入(當斷開跳線帽時)

二、控制部分

1. ENA/ENB：電機A/B使能端(PWM調速)

2. IN1-IN4：電機控制輸入端：

   • IN1/IN2控制電機A

   • IN3/IN4控制電機B

三、輸出部分

1. OUT1-OUT4：電機輸出端：

   • OUT1/OUT2接電機A

   • OUT3/OUT4接電機B

通過控制Q1-Q4的通斷組合（IN1-4），可以實現：

• 正轉(Q1和Q4導通)

• 反轉(Q2和Q3導通)

• 制動(Q1和Q2或Q3和Q4導通)

• 停止(所有Q斷開)

5.2?藍牙模塊

本次設計的藍牙模塊采用的是藍牙3.0模塊 SPP透傳 兼容HC-05的JDY-31，其采用的是六線制，支持藍牙3.0，可以使用安卓手機和Windows電腦進行通信，暫時不支持和蘋果手機進行通信

藍牙模塊原理：

模塊引腳說明

1. VCC：3.3V電源輸入(2.4-3.6V)

2. GND：電源地

3. TXD：模塊串口發送端(接FPGA的RXD)

4. RXD：模塊串口接收端(接FPGA的TXD)

5. STATE：連接狀態指示(可選)

6. EN：使能引腳(高電平工作，低電平進入AT模式)

工作原理圖解

?[MCU] --UART--> [JDY-31] --BLE無線--> [手機/主機設備](TXD/RXD) ? ? ?  (藍牙射頻)

詳細工作流程

1. 初始化階段：

   • 上電后模塊自動進入廣播狀態

   • 默認名稱"JDY-31"可被藍牙設備掃描到

2. 配對連接：

   • 手機/主機設備掃描并連接模塊

   • 建立安全的GATT連接

   • 模塊STATE引腳輸出高電平(如果連接)

3. 數據傳輸：

   • MCU通過UART發送數據→模塊通過BLE轉發給主機

   • 主機發送數據→模塊通過UART轉發給FPGA

   • 全雙工透明傳輸，波特率可配置

4. 低功耗模式：

   • 無連接時自動進入低功耗狀態

   • 收到數據或主機連接請求時快速喚醒

通信協議

AT指令：

查詢版本指令：AT+VERSION （可以通過這個指令查詢串口連接是否正常，以及波特率是否正常）

波特率設置指令：AT+BAUD8，（4:9600, 8:115200）

設置藍牙昵稱：AT+NAMExiaoche，（設置藍牙昵稱為xioache）

5.3 語音模塊

本設計采用的語音模塊為：SU-03T系列芯片，喇叭采用的是內磁小喇叭揚聲器8歐1瓦，拾音器采用的52DB電容式拾音器。

SU-03T是一款基于AI語音識別技術的低成本離線語音識別模塊，廣泛應用于智能家居、語音控制和物聯網設備中，下面主要講解他的原理和通信協議

語音模塊原理：

模塊引腳說明

1. VCC：3.3V電源輸入(3.3-5V)

2. GND：電源地

3. TXD：模塊串口發送端(接FPGA的RXD)

4. RXD：模塊串口接收端(接FPGA的TXD)

5. MIC+ ：外接拾音器正極

6. MIC-：外接拾音器負極

7. SPK+：外接揚聲器正極

8. SPK-：外接揚聲器負極

工作流程詳解

1. 聲波采集階段

   • 通過駐極體麥克風將聲波轉換為電信號

   • 信號經過低噪聲放大器(LNA)放大

   • 24-bit ADC進行模數轉換（采樣率16kHz）

2. 語音預處理

   • 自適應降噪算法（ANS）消除環境噪聲

   • 回聲消除（AEC）處理

   • 語音活動檢測（VAD）區分人聲與環境音

3. 特征提取

   • 梅爾頻率倒譜系數(MFCC)分析

   • 動態時間規整(DTW)匹配

   • 本地神經網絡模型處理（非云端）

4. 指令匹配

   • 與預燒錄的35條指令詞進行比對

   • 采用動態時間規整算法提高識別率

5. 輸出控制

   • 通過UART發送識別結果（ASCII格式）

   • 或直接通過GPIO/PWM輸出控制信號

5.4?超聲波測距模塊

本次設計的超聲波測距模塊采用的是HC-SR04，然后外接一個自己設計的超聲波測距模塊支架，放到第二層的前面，用膠槍固定即可。

同時我還自己設計了一個專門放超聲波模塊的支架，如下圖所示，可以把超聲波模塊固定在小車底盤上

超聲波模塊工作原理：

模塊引腳說明

1. VCC：2.8-5.5V電源輸入

2. Trig：觸發控制信號輸入

3. Echo：回響信號輸出

4. GND：地線

工作原理圖解

?[FPGA] --Trig脈沖--> [HC-SR04] --超聲波發射--> 物體↑[FPGA] <--Echo脈沖-- [HC-SR04] <--超聲波反射-- 物體

詳細工作流程

1. 觸發階段：

   • 微控制器向Trig引腳發送至少10μs的高電平脈沖

   • 模塊內部自動發出8個40kHz的超聲波脈沖

2. 發射階段：

   • 超聲波換能器發射一束40kHz的聲波

   • 聲波在空氣中傳播（聲速約343m/s，25℃時）

3. 接收階段：

   • 如果前方有障礙物，聲波會被反射

   • 模塊接收器檢測返回的聲波

4. 信號輸出：

   • 模塊通過Echo引腳輸出高電平

   • 高電平持續時間與距離成正比：距離 = (高電平時間 × 聲速)/2

   • 如果沒有檢測到回波，Echo會在約38ms后返回低電平（表示超出量程）

時序圖

5.5?紅外尋跡模塊

本次紅外尋跡模塊采用的是一個三路紅外尋組，并沒有單獨的使用紅外尋跡模塊，這樣節省了一些線的連接，使我們的設計看起來更加精簡和美觀。

也可以采用單獨的紅外模塊，這個可以自行選擇，我默認用的是單獨的

紅外尋跡原理：

一個典型的紅外尋跡模塊由以下幾部分組成：

1. 紅外發射管(IR LED)：發射紅外光
2. 紅外接收管(光電晶體管或光電二極管)：接收反射的紅外光
3. 比較器電路：將接收信號轉換為數字信號
4. 輸出接口：將檢測結果輸出給控制器
5. 通過多個傳感器的輸出組合可以判斷軌跡線的位置和方向

工作原理示意圖：

[紅外發射管] → 發射紅外光 → 地面反射 → [紅外接收管] → 信號處理 → 數字輸出

• 當反射光強(白色表面)→輸出低電平(0)
• 當反射光弱(黑色表面)→輸出高電平(1)

總之一句話：

沒反射——D0輸出高電平——滅燈

反射——D0輸出低電平——點亮

5.6 底盤設計

底盤是我自己設計的一個模型，然后通過3D打印機的出來的，因為市面上亞克力板的底盤價格真的太貴了，我就自己設計了一個，節約率成本，也實現了自主可控

其中底盤的顏色也可以自行定制，這個需要的小伙伴可以找我來定制哦！！

六、代碼實現

6.1 頂層設計

頂層設計主要是例化項目中使用的各個模塊，以及FPGA對外接口的定義

部分代碼如下：

`timescale 1ns / 1ps
module top_car(
input   clk  ,     //50M系統時鐘
input   rst_n,     //系統復位  低電平有效
input   echo ,     // 超聲波接受端口  
output  trig ,      //超聲波控制端口input		rx_lanya,		//藍牙模塊給入的串行數據
input		rx_yuying,		//語音模塊給入的串行數據input	wire en1,//左循跡
input wire en2,//循跡前進
input wire en3,//右循跡output  [7:0] seg,	//數碼管片選
output  [3:0] sel ,  //數碼管位選output flag1,//左輪
output flag2,//左輪output flag3,//右輪
output flag4 //右輪);wire [24:0]  dis; //超聲波測量的距離	wire  [7:0] data_rx;//rx藍牙模塊接收并保存的并行數據wire			done;wire  [7:0] data_rx1;//rx語音模塊接收并保存的并行數據	wire			done1;//超聲波測距模塊+數碼管顯示	
top top_u(
.clk  	(clk  ),     //50M系統時鐘
.rst_n	(rst_n),     //系統復位  低電平有效
.echo 	(echo ),     // 超聲波接受端口  
.trig 	(trig ),      //超聲波控制端口
.seg		(seg	),		//數碼管片選
.sel 		(sel 	),	  //數碼管位選
.dis 		(dis 	)		//超聲波測量的距離	);		car car_u(
.clk  		(clk  		),
.rst_n		(rst_n		),
.dis 		(dis),

6.2 電機控制模塊

此模塊是通過各自傳感器模塊發的數據，且通過他們的處理模塊輸出的數據，來對小車的電機進行控制，來實現各自功能，以及工作模式的選擇。

`timescale 1ns / 1psmodule car(
input wire clk,
input wire rst_n,
input	wire en1,		//左循跡信號
input wire en2,		//循跡前進信號
input wire en3,			//右循跡信號
input wire [24:0]  dis, //超聲波測量的距離	
input wire [7:0] data_rx,//手機藍牙發串行指令給rx接收模塊，調用串口rx的并行數據作為小車的運動指令
input wire done,//串口接收完畢一字節的結束信號input wire [7:0] data_rx1,//語音模塊發串行指令給rx接收模塊，調用串口rx的并行數據作為小車的運動指令
input wire done1,//串口接收完畢一字節的結束信號output  flag1,//左輪
output  flag2,//左輪output  flag3,//右輪
output  flag4 //右輪
);reg [3:0] flag;assign {flag1, flag2, flag3, flag4} = flag;//循跡模式切換
reg [1:0] mode;
always @ (posedge clk, negedge rst_n) beginif (!rst_n)mode <= 0;else if (data_reg == 8'h10 )	//正常模式mode <= 1;else if (data_reg == 8'h11 )			//避障模式mode <= 2;else if (data_reg == 8'h12 )			//循跡模式mode <= 3;
end

6.3 數碼管顯示模塊

此模塊主要是通過數碼管顯示各自數據信息，如果選擇用OLED顯示的話，此處換為OLED顯示模塊即可

module seven_tube(clk,rst_n,data_in,seg,sel);input clk,rst_n;input [15:0] data_in;output reg [7:0] seg;output reg [3:0] sel;parameter t = 50_000_000/1000/2 - 1;  reg  [3:0] data_temp;reg [31:0] cnt;reg clk_1khz;//*****產生1khz時鐘******//always @(posedge clk,negedge rst_n)beginif(!rst_n)begincnt <= 0;clk_1khz <= 0;endelseif(cnt < t)begincnt <= cnt + 1;clk_1khz <= clk_1khz;endelsebegincnt <= 0;clk_1khz <= ~clk_1khz;endend//*****位選******//always @(posedge clk_1khz,negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginsel <= 4'b0111;endelsesel <= {sel[0],sel[3:1]};

別的模塊就不多介紹了，想要了解的可以通過文章開頭部分藍色字體自行下載即可

七、測試部分

將代碼編譯，然后生成sof文件，先通過JTAG進行下載測試，保證功能沒問題之后，然后生成jjc文件，固化到FPGA開發板中。

我這邊就直接給大家演示一段視頻把，這樣測試更加直觀

制作不易，記得三連哦，給我動力，持續更新！！！

下期繼續在這個小車基礎上，添加功能！！