首先先声明一下，本项目已经历多轮测试，可以放心根据我的设计进行二次开发和直接套用！！！

代码有详细的注释，方便同学进行学习！！

制作不易，记得三连哦，给我动力，持续更新！！！

完整工程文件下载：基于FPGA的智能小车完整工程下载 （点击蓝色字体获取）

引言

        在智能硬件爆发的时代，基于MCU的智能小车方案已屡见不鲜，但FPGA在实时控制与并行处理上的潜力却鲜被挖掘。本文将揭秘一款全栈式FPGA智能小车——通过纯Verilog实现蓝牙遥控、语音指令识别、红外寻迹与超声波避障等多模态交互系统。

与传统方案相比，这款设计实现了三大突破：

  1. 硬件加速：利用FPGA的并行架构，超声波测距与电机PWM控制实现纳秒级响应

  2. 高度集成：单一芯片同时处理4路传感器数据流，资源利用率较STM32提升60%

  3. 可扩展性：通过自定义IP核设计，可快速接入激光雷达、摄像头、云台等外设（本人接FPGA项目设计）

  4. 稳定性：全部设计由verilog硬件描述语言实现，使小车在运行中更加稳定

一、系统设计概述

        本设计的智能小车采用 FPGA（现场可编程门阵列） 作为核心控制器，通过 Verilog HDL 实现硬件逻辑设计，构建了一个高度并行、低延迟的多模态控制系统。系统集成了 蓝牙遥控、语音识别、红外寻迹、超声波避障 等功能，并采用模块化设计，确保各功能独立运行且高效协同。     先给大家看一个最终的效果，嘻嘻嘻！！小车的主题颜色可以定制，都是我自己用3D打印出来的，这是我的骚红色。排线有点乱，后期慢慢更新版本。

二、设计实现功能

（1）蓝牙控制小车运动方式，和模式切换

（2）语音控制小车运动方式，和模式切换

（3）支持红外寻迹功能模式

（4）支持超声波避障功能模式

（5）数码管/OLED显示车载信息

三、设计选型

（1）FPGA主芯片： EP4CE6F17C8N （其他的也都可以，纯verilog代码，方便移植）

（2）电机型号：步进电机，TT直流电机等（可以定制）

（3）语音模块：SU-03T系列芯片

（4）蓝牙模块：HC-05的JDY-31蓝牙模块

（5）超声波模块：HC-SR04超声波模块

（6）红外模块：TCRT5000传感器

（7）小车底板：自己设计3D打印（可定制）

四、设计方案

本设计主要通过FPGA实时接收各个传感器的数据和状态，来驱动四个车轮的电机，驱动小车的行驶以及工作模式，并通过OLED或者数码管显示车载状态，以及配合语音和安卓手机来控制小车的状态。其主要设计框图如下所示：

五、硬件介绍

5.1 电机驱动模块

要想使马达和轮胎转动，不能只给电机高低电平，而是需要使用电机驱动模块去连接FPGA开发板和马达。

本设计采用的电机驱动模块为：L298N直流电机驱动，此电机可以驱动两个马达，但是咱们使用的是四个马达，所以需要将一边的两个马达串联到一起接到电机驱动上，然后就可以实现控制四个马达了。

电机驱动模块原理：

L298N是一款经典的双H桥电机驱动芯片，能够驱动两个直流电机或一个步进电机

模块引脚说明

一、电源部分

  1. 12V/VCC：电机驱动电压输入(5-35V)

  2. GND：电源地

  3. 5V：输出5V(当使能跳线帽连接时)或5V输入(当断开跳线帽时)

二、控制部分

  1. ENA/ENB：电机A/B使能端(PWM调速)

  2. IN1-IN4：电机控制输入端：

    • IN1/IN2控制电机A

    • IN3/IN4控制电机B

三、输出部分

  1. OUT1-OUT4：电机输出端：

    • OUT1/OUT2接电机A

    • OUT3/OUT4接电机B

通过控制Q1-Q4的通断组合（IN1-4），可以实现：

  • 正转(Q1和Q4导通)

  • 反转(Q2和Q3导通)

  • 制动(Q1和Q2或Q3和Q4导通)

  • 停止(所有Q断开)

5.2 蓝牙模块

本次设计的蓝牙模块采用的是蓝牙3.0模块 SPP透传 兼容HC-05的JDY-31，其采用的是六线制，支持蓝牙3.0，可以使用安卓手机和Windows电脑进行通信，暂时不支持和苹果手机进行通信

蓝牙模块原理：

模块引脚说明

  1. VCC：3.3V电源输入(2.4-3.6V)

  2. GND：电源地

  3. TXD：模块串口发送端(接FPGA的RXD)

  4. RXD：模块串口接收端(接FPGA的TXD)

  5. STATE：连接状态指示(可选)

  6. EN：使能引脚(高电平工作，低电平进入AT模式)

工作原理图解

 [MCU] --UART--> [JDY-31] --BLE无线--> [手机/主机设备](TXD/RXD)        (蓝牙射频)

详细工作流程

  1. 初始化阶段：

    • 上电后模块自动进入广播状态

    • 默认名称"JDY-31"可被蓝牙设备扫描到

  2. 配对连接：

    • 手机/主机设备扫描并连接模块

    • 建立安全的GATT连接

    • 模块STATE引脚输出高电平(如果连接)

  3. 数据传输：

    • MCU通过UART发送数据→模块通过BLE转发给主机

    • 主机发送数据→模块通过UART转发给FPGA

    • 全双工透明传输，波特率可配置

  4. 低功耗模式：

    • 无连接时自动进入低功耗状态

    • 收到数据或主机连接请求时快速唤醒

通信协议

AT指令：

查询版本指令：AT+VERSION （可以通过这个指令查询串口连接是否正常，以及波特率是否正常）

波特率设置指令：AT+BAUD8，（4:9600, 8:115200）

设置蓝牙昵称：AT+NAMExiaoche，（设置蓝牙昵称为xioache）

5.3 语音模块

本设计采用的语音模块为：SU-03T系列芯片，喇叭采用的是内磁小喇叭扬声器8欧1瓦，拾音器采用的52DB电容式拾音器。

SU-03T是一款基于AI语音识别技术的低成本离线语音识别模块，广泛应用于智能家居、语音控制和物联网设备中，下面主要讲解他的原理和通信协议

语音模块原理：

模块引脚说明

  1. VCC：3.3V电源输入(3.3-5V)

  2. GND：电源地

  3. TXD：模块串口发送端(接FPGA的RXD)

  4. RXD：模块串口接收端(接FPGA的TXD)

  5. MIC+ ：外接拾音器正极

  6. MIC-：外接拾音器负极

  7. SPK+：外接扬声器正极

  8. SPK-：外接扬声器负极

工作流程详解

  1. 声波采集阶段

    • 通过驻极体麦克风将声波转换为电信号

    • 信号经过低噪声放大器(LNA)放大

    • 24-bit ADC进行模数转换（采样率16kHz）

  2. 语音预处理

    • 自适应降噪算法（ANS）消除环境噪声

    • 回声消除（AEC）处理

    • 语音活动检测（VAD）区分人声与环境音

  3. 特征提取

    • 梅尔频率倒谱系数(MFCC)分析

    • 动态时间规整(DTW)匹配

    • 本地神经网络模型处理（非云端）

  4. 指令匹配

    • 与预烧录的35条指令词进行比对

    • 采用动态时间规整算法提高识别率

  5. 输出控制

    • 通过UART发送识别结果（ASCII格式）

    • 或直接通过GPIO/PWM输出控制信号

5.4 超声波测距模块

本次设计的超声波测距模块采用的是HC-SR04，然后外接一个自己设计的超声波测距模块支架，放到第二层的前面，用胶枪固定即可。

同时我还自己设计了一个专门放超声波模块的支架，如下图所示，可以把超声波模块固定在小车底盘上

超声波模块工作原理：

模块引脚说明

  1. VCC：2.8-5.5V电源输入

  2. Trig：触发控制信号输入

  3. Echo：回响信号输出

  4. GND：地线

工作原理图解

 [FPGA] --Trig脉冲--> [HC-SR04] --超声波发射--> 物体↑[FPGA] <--Echo脉冲-- [HC-SR04] <--超声波反射-- 物体

详细工作流程

  1. 触发阶段：

    • 微控制器向Trig引脚发送至少10μs的高电平脉冲

    • 模块内部自动发出8个40kHz的超声波脉冲

  2. 发射阶段：

    • 超声波换能器发射一束40kHz的声波

    • 声波在空气中传播（声速约343m/s，25℃时）

  3. 接收阶段：

    • 如果前方有障碍物，声波会被反射

    • 模块接收器检测返回的声波

  4. 信号输出：

    • 模块通过Echo引脚输出高电平

    • 高电平持续时间与距离成正比：距离 = (高电平时间 × 声速)/2

    • 如果没有检测到回波，Echo会在约38ms后返回低电平（表示超出量程）

时序图

5.5 红外寻迹模块

本次红外寻迹模块采用的是一个三路红外寻组，并没有单独的使用红外寻迹模块，这样节省了一些线的连接，使我们的设计看起来更加精简和美观。

也可以采用单独的红外模块，这个可以自行选择，我默认用的是单独的

红外寻迹原理：

一个典型的红外寻迹模块由以下几部分组成：

  1. 红外发射管(IR LED)：发射红外光
  2. 红外接收管(光电晶体管或光电二极管)：接收反射的红外光
  3. 比较器电路：将接收信号转换为数字信号
  4. 输出接口：将检测结果输出给控制器
  5. 通过多个传感器的输出组合可以判断轨迹线的位置和方向

工作原理示意图：

[红外发射管] → 发射红外光 → 地面反射 → [红外接收管] → 信号处理 → 数字输出

  • 当反射光强(白色表面)→输出低电平(0)
  • 当反射光弱(黑色表面)→输出高电平(1)

总之一句话：

没反射——D0输出高电平——灭灯

反射——D0输出低电平——点亮

5.6 底盘设计

底盘是我自己设计的一个模型，然后通过3D打印机的出来的，因为市面上亚克力板的底盘价格真的太贵了，我就自己设计了一个，节约率成本，也实现了自主可控

其中底盘的颜色也可以自行定制，这个需要的小伙伴可以找我来定制哦！！

六、代码实现

6.1 顶层设计

顶层设计主要是例化项目中使用的各个模块，以及FPGA对外接口的定义

部分代码如下：

`timescale 1ns / 1ps
module top_car(
input   clk  ,     //50M系统时钟
input   rst_n,     //系统复位  低电平有效
input   echo ,     // 超声波接受端口  
output  trig ,      //超声波控制端口input		rx_lanya,		//蓝牙模块给入的串行数据
input		rx_yuying,		//语音模块给入的串行数据input	wire en1,//左循迹
input wire en2,//循迹前进
input wire en3,//右循迹output  [7:0] seg,	//数码管片选
output  [3:0] sel ,  //数码管位选output flag1,//左轮
output flag2,//左轮output flag3,//右轮
output flag4 //右轮);wire [24:0]  dis; //超声波测量的距离	wire  [7:0] data_rx;//rx蓝牙模块接收并保存的并行数据wire			done;wire  [7:0] data_rx1;//rx语音模块接收并保存的并行数据	wire			done1;//超声波测距模块+数码管显示	
top top_u(
.clk  	(clk  ),     //50M系统时钟
.rst_n	(rst_n),     //系统复位  低电平有效
.echo 	(echo ),     // 超声波接受端口  
.trig 	(trig ),      //超声波控制端口
.seg		(seg	),		//数码管片选
.sel 		(sel 	),	  //数码管位选
.dis 		(dis 	)		//超声波测量的距离	);		car car_u(
.clk  		(clk  		),
.rst_n		(rst_n		),
.dis 		(dis),

6.2 电机控制模块

此模块是通过各自传感器模块发的数据，且通过他们的处理模块输出的数据，来对小车的电机进行控制，来实现各自功能，以及工作模式的选择。

`timescale 1ns / 1psmodule car(
input wire clk,
input wire rst_n,
input	wire en1,		//左循迹信号
input wire en2,		//循迹前进信号
input wire en3,			//右循迹信号
input wire [24:0]  dis, //超声波测量的距离	
input wire [7:0] data_rx,//手机蓝牙发串行指令给rx接收模块，调用串口rx的并行数据作为小车的运动指令
input wire done,//串口接收完毕一字节的结束信号input wire [7:0] data_rx1,//语音模块发串行指令给rx接收模块，调用串口rx的并行数据作为小车的运动指令
input wire done1,//串口接收完毕一字节的结束信号output  flag1,//左轮
output  flag2,//左轮output  flag3,//右轮
output  flag4 //右轮
);reg [3:0] flag;assign {flag1, flag2, flag3, flag4} = flag;//循迹模式切换
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 )			//循迹模式mode <= 3;
end

6.3 数码管显示模块

此模块主要是通过数码管显示各自数据信息，如果选择用OLED显示的话，此处换为OLED显示模块即可

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;//*****产生1khz时钟******//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//*****位选******//always @(posedge clk_1khz,negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginsel <= 4'b0111;endelsesel <= {sel[0],sel[3:1]};

别的模块就不多介绍了，想要了解的可以通过文章开头部分蓝色字体自行下载即可

七、测试部分

将代码编译，然后生成sof文件，先通过JTAG进行下载测试，保证功能没问题之后，然后生成jjc文件，固化到FPGA开发板中。

我这边就直接给大家演示一段视频把，这样测试更加直观

基于FPGA的智能小车

制作不易，记得三连哦，给我动力，持续更新！！！

下期继续在这个小车基础上，添加功能！！

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