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：
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
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%
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）
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
12V/VCC：电机驱动电压输入(5-35V)
GND：电源地
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
ENA/ENB：电机A/B使能端(PWM调速)
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
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
VCC：3.3V电源输入(2.4-3.6V)
GND：电源地
TXD：模块串口发送端(接FPGA的RXD)
RXD：模块串口接收端(接FPGA的TXD)
STATE：连接状态指示(可选)
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
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
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)
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
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
VCC：3.3V电源输入(3.3-5V)
GND：电源地
TXD：模块串口发送端(接FPGA的RXD)
RXD：模块串口接收端(接FPGA的TXD)
MIC+ ：外接拾音器正极
MIC-：外接拾音器负极
SPK+：外接扬声器正极
SPK-：外接扬声器负极
工作流程详解
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）
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
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）
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
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
VCC：2.8-5.5V电源输入
Trig：触发控制信号输入
Echo：回响信号输出
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
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
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）
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
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：
- 红外发射管(IR LED)：发射红外光
- 红外接收管(光电晶体管或光电二极管)：接收反射的红外光
- 比较器电路：将接收信号转换为数字信号
- 输出接口：将检测结果输出给控制器
- 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 / 1ps
module 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) begin
if (!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;
end6.3 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)
begin
if(!rst_n)
begin
cnt <= 0;
clk_1khz <= 0;
end
else
if(cnt < t)
begin
cnt <= cnt + 1;
clk_1khz <= clk_1khz;
end
else
begin
cnt <= 0;
clk_1khz <= ~clk_1khz;
end
end
//*****位选******//
always @(posedge clk_1khz,negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
sel <= 4'b0111;
end
else
sel <= {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！！