基于FPGA的超声波测距系统设计

首先介绍超声波测量距离的原理，其次介绍超声波测距模块。超声波测距的基本原理可以这样认为，我们知道声音在空气里的传播速度大约是0.34千米/秒。超声波在空气中的传播速度大概也是0.34千米/秒，而这个速度受外界环境变化特别的小；况且超声波的波长相对于空气中的悬浮颗粒直径较大，因而可以有效的绕射过空气中的悬浮颗粒等直径比较小的障碍物，所以可以认为它在空气中的传播速度基本可以维持在0.34千米/秒。基于这个基本不变的速度，只需测出其发出去以及反射回来的时间差，然后在通过一定的计算，就可以得到发射端到目标物体的距离了。

由以上的超声波测量距离的原理图就可以知道距离S可以被很简洁的表达出来了。可以把声速表示成V，超声波从发射到接收的时间差为T，这样距离就可以被表达成S=V*T/2。图3.2中的方法可称为间接测距法。还有一种直接测距的方法，直接测距就是将测距系统的发射端口和接收端口对准。发射的超声波直接进入接收端，这样就可以直接计算出其测量的距离了。这种测距系统并不仅仅局限于超声波测距系统，在一些激光测距、红外测距等系统方面也有着一定价值的应用。

 

图3.2 超声波测量距离的原理图

 

在本设计中利用超声波在空气中的传播原理，按照S=V*T/2的关系计算出1毫米的时钟高电平个数。利用距离单位的逐项叠加，逐个进位的方式计算出其距离。

 

图3.3 超声波模块

 

基于FPGA的超声波测距系统利用的超声波模块型号为HC_SR04，它实际上采用的是给模块上的trig端口一个触发电平，让其触发超声波的发出。

首先，在使用该模块之前，对该超声波模块进行了简单的端口测试。利用电压源给该模块接上5V的电压。利用信号发生器产生一个10us的高电平脉冲信号，将此信号加到trig接口上，这样就完成了对该超声波模块的触发。然后将示波器探头接在超声波模块的echo端口上，观察示波器会显示以下信号：

 

图3.4 示波器观测图

 

图3.5 信号源信号图

 

由图3.5中的信号源可以看出，设置占空比为20%，脉冲电压为5V，周期为50us。这样信号源就可以产生一个10us的连续脉冲，将此脉冲信号送给trig端口，然后在超声波模块上的echo端口上加上示波器来测量echo上的信号变化。图3.4所示，可以清楚的看到echo信号也呈现周期性变化，其原因就是给trig输入的信号成周期性变化，每次经过10us的连续高电平，超声波就会发出一个调制的脉冲信号，该调制信号返回后，echo端的信号就会由高电平瞬间变回低电平了，所以echo信号的周期性变化是由trig信号的周期性变化引起的。还有一个值得注意的问题，观察示波器的峰峰值可以看出echo反馈的高电平和给超声波模块的VCC端口所输入的电压信号的高电平值是一样大的，因此就要考虑FPGA开发板的I/O接口所承受的最大耐压值；比如像Xilinx的Basys系列的开发板I/O接口电压承受值为3.3V，这种情况就要给echo接口加一个分压电阻。以免返回电压过大而对芯片造成一定程度的损伤。而ALTERA系列开发板的I/O接口一般情况可以承受5V的电压值，因此可以直接将I/O接口与echo端口和trig端口接在一起。

 

超声波测距系统程序设计及仿真

 

下图给出了系统软件设计的整体框架，实际上由于FPGA内的各个子进程都是并行执行的，且每个子进程都是是独立的模块，因此程序设计并不是按照顺序的方法设计的，而是分离成各个小的子模块进行设计综合的，需要严格控制时序。

超声波收发部分负责产生超声波驱动信号，要求频率为50MHz，占空比为50的方波信号以驱动超声波换能器，同时高速计数器开始计数，检测回波后，计数器停止计数，计算后控制显示输出。

            

图4.1 系统软件设计框图

 

主控制模块代码：

1. <font style="font-size: 12pt">module temper(
2. input        CLOCK_50,               // 板载时钟50MHz
3. input        Q_KEY,                  // 板载按键RST
4. input        clk_1_sec,            
5. input        echo,                     //回响信号输出
6. output       reg   trig,                //超声波模块触发信号输入     
7.     output   [15:0]codeshow     
8. );  
9. //-------------------------------------
10. //reg   trig;
11.               reg   [11:0]cnt;            //计数器，计250个50ns，12.5us，为echo提供时序
12.               reg   [13:0] cnt1;           //计数器，计8000个12.5us，100ms
13.               reg   [20:0]cnt3;             //计数124个时钟周期是1mm
14.               reg   [19:0] dis  ;     
15.               reg
16.               echo_buf,                  //echo的上一个时钟的状态
17.               echo_rising,               //捕捉echo的上升沿
18.               echo_falling,              //捕捉echo的下降沿
19.               flag1;                     //echo为高电平时flag1会是1，低电平时会是0
20.     reg[3:0]beed1;   
21.     reg[3:0]beed2;   
22.     reg[3:0]beed3;
23.     reg[3:0]beed4;
24. assign codeshow={beed4,beed3,beed2,beed1};
25. //产生echo控制信号250*8000*50ns，echo高电平持续12.5us，即250个时钟周期
26. always@(posedge CLOCK_50)                  
27.               begin
28.               if(cnt == 2)//599
29.               cnt <= 1'b0;
30.               else
31.               cnt <= cnt +1;
32.               end
33. always@(posedge CLOCK_50)
34. begin
35.               if(cnt == 2)//599
36.               if(cnt1 == 20)//9999
37.                             begin
38.                                           trig <= 1'b1;
39.                                           cnt1 <= 1'b0;
40.                             end
41.               else
42.                             begin
43.                                           trig <= 1'b0;
44.                                           cnt1 <= cnt1 + 1'b1;
45.                             end
46. end
47. //捕捉trig上升沿与下降沿,并产生标志位
48. always@(posedge CLOCK_50, negedge Q_KEY)
49. begin
50. if (!Q_KEY) echo_buf <= 1'b0;
51. else
52.               begin
53.               echo_buf <= echo;
54.               echo_rising <= echo & (~echo_buf);
55.               echo_falling <= (~echo) & echo_buf;
56.   end
57. end
58. always@(posedge CLOCK_50)
59.               begin
60.               if(echo_rising == 1'b1)
61.               begin
62.     flag1 = 1'b1;                       //echo已经变为高电平
63.     end
64.     else if(echo_falling == 1'b1)
65.               begin
66.               flag1 = 1'b0;                       //echo已经变为低电平
67.               end
68.               end
69. //在flag1 = 1 期间计时，即对时钟进行计数。（4m的距离会是25ms，1mm是125个时钟周期）
70. always@(posedge CLOCK_50, negedge Q_KEY)
71.               begin
72.                   if (!Q_KEY) dis<= 19'b0;
73.                   else
74.                   begin
75.                             if(flag1 == 1'b1)
76.                             begin
77.                             if(cnt3 == 25)      // 700000              //1mm
78.                                           cnt3 <= 1'b0;
79.                             else
80.                                           cnt3 <= cnt3 + 1'b1;
81.                             end
82.                             else if(echo_rising == 1'b1)
83.                             begin
84.                                 dis <=cnt3/1;   //dis <=cnt3/290;
85.                                           cnt3 <= 1'b0;
86.                   end
87.                   end
88.               end
89. always @ (posedge clk_1_sec, negedge Q_KEY)
90.   begin
91.   if (!Q_KEY)
92.   Begin
93. beed    <= 1'b0
94.       beed1   <= 4'b0;
95.       beed2   <= 4'b0;
96.       beed3   <= 4'b0;
97.       beed4   <= 4'b0;
98. end
99. else begin
100.               beed1 <=dis/1000;
101.               beed2 <=dis%1000/100;
102.               beed3 <=dis%100/10;
103.               beed4 <=dis%10;
104. if(dis>16)begin beed<= 1'b0; end
105.      else begin beed<=1'b1; end
106.   end
107. end
108. endmodule</font>
      

通过主控制程序，可以实现超声波测距以及当测量距离小于一定长度时，蜂鸣器报警，报警距离可以通过改代码，实现想要的报警的距离。下面是通过波形仿真的结果。如图所示：

图4.2 测距并报警

 

分频模块代码：

1. <font style="font-size: 12pt">module div_50M(
2.   input      clk,//50
3.   input      rst_n,//
4.   output     o_clk,//1HZ
5.   output     o_clk1hz//1KHZ
6. );
7. // 分频模块开始
8. reg [25:0] cnt;                         // 计数子
9. reg [25:0] cntt;                         // 计数子
10. reg regclk1hz;
11. reg rego_clk;
12. assign o_clk1hz=regclk1hz;
13. assign o_clk=rego_clk;
14. always @ (posedge clk, negedge rst_n)
15.   if (!rst_n)
16.     cntt <= 0;
17.   else
18.     if (cntt == 2)//cnt == 24_999_)//50M/1000=X,X/2-1=24999
19.       begin
20.       cntt <= 0;
21.       regclk1hz=(~regclk1hz);//1KHZ
22.       end
23.     else
24.     cntt <= cntt + 1'b1;
25. always @ (posedge clk, negedge rst_n)
26.   if (!rst_n)
27.     cnt <= 0;
28.   else
29.     if (cnt == 1)//cnt == 24_999_999)
30.     begin
31.       cnt <= 0;
32.       rego_clk=(~rego_clk);//1KHZ
33.       end
34.     else
35.     cnt <= cnt + 1'b1;                  
36. // 分频模块结束</font>

Endmodule

 

上述代码中输出的1KHZ时钟，在之后进行译码器扫描。分频模块仿真如下图示：

图4.3 分频模块仿真

 

译码器模块代码：

1. <font style="font-size: 12pt">module yimaqi(clkshow ,codeshow,duan,wei);
2. input clkshow;//1K的扫描时钟输入
3. input [15:0]codeshow;//4个数码管的显示数据输入，共16位，每4位一个密码
4. output [7:0]duan;//数据段选输出
5. output [3:0]wei;//动态扫描的位选输出
6. reg  [3:0]dig1;
7. reg [3:0]SEGAA;
8. reg [3:0]countt;
9. reg [7:0]LED;
10. always @(posedge clkshow )
11. begin
12.      countt=countt+1'b1;
13.      if(countt>3)begin countt=0;end
14.               case (countt)
15.               0: SEGAA<=codeshow[3 : 0];
16.      1: SEGAA<=codeshow[7 :4];
17.      2: SEGAA<=codeshow[11 : 8];
18.      3: SEGAA<=codeshow[15 : 12];                                            
19.      default: countt=0;
20.               endcase
21.                 case (countt)//动态扫描的位选输出
22.                             0:dig1=4'b0001 ;
23.                             1:dig1=4'b0010 ;
24.                             2:dig1=4'b0100 ;
25.                             3:dig1=4'b1000 ;                                            
26.      default: countt=0;
27.               endcase
28. end
29. assign wei=dig1;
30. always @(SEGAA )//数据段选输出
31. begin
32.     case (SEGAA)            //hgfedcba
33.                             4'h0:LED=8'b11000000;//--0
34.                             4'h1:LED=8'b11111001;//--1
35.                             4'h2:LED=8'b10100100;//--2
36.                             4'h3:LED=8'b10110000;//--3
37.                             4'h4:LED=8'b10011001;//--4
38.                             4'h5:LED=8'b10010010;//--5
39.                             4'h6:LED=8'b10000010;//--6
40.                             4'h7:LED=8'b11111000;//--7
41.                             4'h8:LED=8'b10000000;//--8
42.                             4'h9:LED=8'b10010000;//--9
43.                             4'ha:LED=8'b10001000;//--a
44.                             4'hb:LED=8'b10000011;//--b
45.                             4'hc:LED=8'b11000110;//--c
46.                             4'hd:LED=8'b10100001;//--d
47.                             4'he:LED=8'b10000110;//--e
48.                             4'hf:LED=8'b11111111;//--off
49. endcase
50. end
51. assign duan=(dig1==4'b0001)?(LED&8'b01111111):LED;
52. Endmodule</font>
53.  

译码器模块，通过扫描检测到的1KHZ时钟输入，把测量到的距离显示到数码管上，译码器模块仿真如下图所示：

图4.4 数码管显示仿真

 

顶层原理图

顶层原理图主要分为三个模块，分别为分频模块，主控制模块，译码器模块。还有超声波模块接口，以及数码管模块接口。如下图所示：

图4.5 原理图