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可编程逻辑器件
及
EDA
技术
课程设计
基于
FPGA
的超声波测距
电路和其扩展应用
东北大学计算机科学与工程学院
<
/p>
可编程逻辑器件及
EDA
技术课程设计<
/p>
——基于
FPGA
的超声波测距电路和其扩展应用
摘要
本课
设使用
FPGA
和其他模块为硬件基础，以
VHDL
为硬件描述语言进行
超声波测距电路的搭建，
完成数码管精度为
2
厘米的实时显示，
并且在基本电路
的基础上使用蜂鸣器扩展出“倒车雷达”功能，在距
离不同的区间内蜂鸣器会响出
不同的频率的声音，总体是距离越小，频率越高。过程中，
进行了需求分析，可
行性分析，模块建构和调试下载等过程，从中学到很多工程实践过程
中的知识。
关键字：
FPGA
；
Quartus
II
；超声波测距；倒车雷达；
VHDL
目录
一、需求分析
.
................................................ .................................................. .......... 3
二、功能描述
.
................................................ .................................................. .......... 3
三、可行性分析
.........
..................................................
..............................................
4
1.
器件可行性分析
.
..................................
..................................................
.............. 4
2.
功能可行性实现
.
..................................
..................................................
.............. 4
3.
数据操作可行性
.
..................................
..................................................
.............. 4
四、模块化建构
.........
..................................................
..............................................
5
1.
分频模块
freq ......
..................................................
..............................................
5
2.
触发模块
launch
.
...............................
..................................................
................ 5
3.
接收模块
receive
.
..............................
..................................................
................ 6
4.
扫描模块
scan
.
.................................
..................................................
................. 7
5.
显示模块
display ...
..................................................
............................................
7
6.
计算模块
measure......................................... .................................................. .... 7
7.
功能开关
switch ....
..................................................
............................................
7
五、编程下载
< br>.
...................................
..................................................
....................... 7
编程
.........................
..................................................
............................................
7
下载
............
..................................................
..................................................
....... 8
六、课设感悟
.
...........................
..................................................
............................... 8
附录
.
..
..................................................
..................................................
.................... 9
一、需求分析
：
本次课程设计要求用
PFGA
和所学
VHDL
知识进行设计具有某种具体功能
的电路系统。
我本次课设选题为：
基于
FPGA
的超声波测距电路和其扩展应用。
用以实践在课堂上所学知识内容，加深理
解。
超声波测距是一般的电路系统
，在生活中有很多应用，比如倒车雷达和扫
地机器人自动避障等。此功能在单片机上实现
更为方便，成本也更低。
但此次课
设使用
FPGA
用硬件描述语言来构建此电路是对
FPGA
本身功能和各模块使用
的学习和提升。
二、功能描述
:
< br>使在数码管上实时显示障碍物与测试模块的距离，要求显示米、分米和厘米
位，<
/p>
数码管精度为
2
厘米，
< br>实时显示，
并且在基本电路的基础上使用蜂鸣器扩展
出“
倒车雷达”功能，在距离不同的区间内蜂鸣器会响出不同的频率的声音，总体
是距离越小
，频率越高。
此功能在单片机上实现更为方便，
成本也更低。
但此次课设使用
FPGA
用硬
件描述语言来构建电路是对
FPGA
本身功能和各模块使用学习的提升。
三、可行性分析
要实现以上所描述的功能，我们可以从三方面进行可行性分析：
1.
器件可行性分析
>FPGA
FPGA
型号为
EP4CE6E22C8N
，
其
Total logic elements
为
62
72
，
满
足大多数开发要求。
>PERIPHERAL
”特权同学“开发板（
SF-
CY4
）
,
晶振（
< br>25MHZ
）
，拨码开关
4
个，
共阴极数码管（
LG3641AH
）
，
蜂鸣器，按键等。
>
超声波测距模块
网上所购得超声波测距标准模块
HC-
SR04
。
感应角度不大于
< br>15
度；
探测距离
2cm-450cm
，高精
度可达
0.2cm
；
2.
功能可行性实现
用
FPGA
产生一满足超声波模块的触发信号，使之开
始工作，等待接受回声信
号。回声引脚接受到回声信号后，
开始
记录整个高电平所持续时间，
再根据脉冲
周期计算的超声波往返
的总时间，用公式
S=340*T/2
来计算相对距离（
340
为
默认声速，可调）
< br>。
再开关选择打开时，蜂鸣器开始工作，根据超声波返
回高电平信号记录周期
数，
设定判断距离标准。
到达某特定标准区间就产生一个特定频率信号给蜂鸣器，
使之发出特定频率。<
/p>
3.
数据操作可行性
VHDL
语言可以调用的
IEEE
库，
其中常用的
_LOGIC_1164
_LOGIC_ARITH
_LOGIC_UNSIGNED
包含大多数数学运算需求和
数据的类型转换，在此提出类型转
换资料，方便今后的使用
四、模块化建构
根据功能要求可以分析需要建立的模块如下图：
SYSTEM
scan
25MHZ
1KHZ
SEL
DIG
4
display
4_H/M/L
measure
freq
100KHZ
Launch
receive
12_U
switch
BUZZER
TR
IG
ECHO
SW
接下来进行逐步分析
构建：
1.
分频模块
freq
板子提供的晶振为
25MHZ
，而其他有关时钟的模
块，考虑人眼视觉暂留，触
发时间和所需精度要求，可以选取时钟频率分别为
100KHZ
和
1KHZ
。
采用“计数取反”的方法进行分频。
“计数分频”是指计数
N
个取反一次逻辑信号
会产生周期为
2N
的频率信号，达到分频目的。
25MHZ
为
10
0KHZ
的
250
倍，因而从
0
到
124
计数。
25MHZ
为
1
KHZ
的
25000
倍，因而从
0
到
12499
计数
。
2.
触发模块
launch
以分频模块提供的
100KHZ
为时钟，周期为
10
微秒，其中高电平为
5
微秒。
已知超声波模块完成触发需要大于
10
微秒的高电平，
所以需要至少两个周期
（上
升沿触发）
。
另外，发射触发后需要等待接收到信号并进行处理再发射下一次触发，才能保
证系统实
时性。不然会出现返回信号混叠引起计算错误。
再者，每次发
射接收数据所需时间要保证两个方面：第一，发射周期要保证大
于返回高电平持续的两倍
；第二，数据刷新速度要适应人眼视觉感官。第一个方
面得不到保证会影响实时性。第二
个方面得不到保证会使人感觉数据变化突兀。
因而，占空比不
为
50%
，且可大致画时序图如下：
器件最
大距离为
4.5m
，计量时钟为
100
KHZ
，则触发周期可以计算为：
N
?
N
1
?
2
*
N
2
其中，
N
1
为触发计数上升沿数；
（为满足发射和返回信
号的实
N
2
为测距往返最大值的上升沿
计数。
时性，应满足两倍的
N
2
）
。
其中为满足触
发条件，
N
1
所以取值为
5
。
根据器件测量极限为
4.5
米，所以
N
2
?
?
4.5
m
?
?
/
0.00001
s
=2647
?
340
m
/
s
?
?
综合起来，<
/p>
N
最小为
5299
。再考虑人眼适应性，经过调试取
N
为
12000
。
3.
接收模块
receive
以分频模块提供的
100KHZ
为时钟，周期
为
10
微秒。本模块可以完成对
ECH
O
的高电平持续时间计数。
模块要求
高电平时开始计数，
为低时把计数结果导出并持续到下一个下降沿的数据更新
时，并把计数信号置零，等待重新计数。
注意，
此时数据导出最好用
UNSIGNED
模式，方便后级进行从二
进制到整数
的转化。数据宽度根据最大测距距离可确定为
12<
/p>
位。
时序图如下：
由上计算，在频率为
100KHZ
的时钟下，最大距离往返可以计数
26
47
次，化成二进制
为：
1010_0
101_0111
，也即最大计数为
12
位宽的二进制表示。
4.
扫描模块
scan
本模块以
1KHZ
位时钟信号，产生“
1110
”
，
“
1101
”
，
“
1011
”
，
“
0111
”
，
四个数
码管
选择信号，完成数码管扫描的功能（数码管为低选通，当使用高选通时把上面对
1
和
0
进行取反）
。也相当于
4
分频，对每个数码管来说
，其频率为
1KHZ
的四
分之一。接下
来传给显示模块。
5.
显示模块
display
显示模块有两个总线输入，一个是显示选通信号（四位）
，另一个是数
据输
入信号（三个四位信号，对应高位，中位，低位）
。
显示模块里有两个功能块，
第一个是进行从
BCD
码到数码管的软译功能
（区
分数码管是共阴极还是共阳极）
，要注意高位为米位，其小数点位需
要点亮。第
二个是完成高中低位和数码管显示的匹配。高位在
2
号位，中位在
1
号位，低位
在
0
号位。
6.
计算模块
measure
计算模块是完成周期计数数据到米、分米和厘米的
BCD
码转换功能。
首先，对
1
2
位宽度的二进制进行转换，是指变成能进行运算的整数类型。再
者，我们知道超声波测距原理，
S=340*T/2
，所以可
以用周期进行运算，并通过
算法分离出三位十进制数分别代表米、分米和厘米位，在对他
们进行转换成二进
制便于电路传输。
7.
功能开关
switch
此扩展功能模块，有很大的设计自由度。
设计输入为
12
位宽度的原始计数，在此先进行整型转换。再根据所属不同
范围产生不同的分频功能，分频结果输出到蜂鸣器。也可以加入模块的功能控制
端口和
间隔音效。
五、编程下载
编程
：
编程采用模块化设计的方法。
根据功能和所需参数分别设计顶层
和底层文件，通过原件例化联系到一起。
具体模块代码见附录，最终结构化效果
如右
;
下载
：
使用
USB
Blaster
将生成的
.sof
文件下载到芯片中，并进行
端口配置
,
注意下载时保证
FPGA<
/p>
的正常供电。
六、课设感悟
本次课程设计的最后结
果能准确实现最初设计的诸多功能，
在实时性和稳定
性上也良好
表现。最终实验板能显示米、分米和厘米位，数码管精度为
2
厘
米，
实时显示，并且蜂鸣器扩展出的“倒车雷达”功能，能使蜂鸣器在不同距离区间响<
/p>
出不同的频率的声音，总体是距离越小，频率越高。
当然，
实验最有价值的东西不止是成功的喜悦，
更
有在实验过程中调试中不
断发现问题解决问题和处理问题的经历，
以及总结学习的工程实践的经验，
在此
作以总结：
1.
做
FPGA
的设计时，
一定
要先在脑海或设计本上规划好顶层各个模块的
功能实现和参数设置，
也要设计好底层某一模块具体功能的实现。
不能想到哪里
就
做到哪里，这样会在结合的时候非常浪费时间！
2.
底层模块功能设计完一定要仿真
，确保能正常使用和兼容其他模块。不
能不验证就连接到整体系统中，
< br>一旦出现问题就会不知道从哪里检查问题，
也很
浪费时间
！
3.
参数设置时要充分考虑
VHDL
所能调
用的库的函数，
这样能节省很多设
计时间，直接调用即可。
4.
当硬件描述语言没有问题时，
板级调试出现错误或者与预想的结果不同
时，
可以从引脚到器件进行一步步的分析，
很可能是引脚映射错误或者板子自身
的问题。
5.
要充
分熟悉板子提供的外设的使用方法，比如高触发还是低触发等。
最后，
非常感谢学院能给我们这样的机会，具体的把课本知识进行实践，在
实践中深刻理解知识和具体操作问题。
附录
HC-SR04
工作原理：
（
1
）主要
技术参数：
1
、使用电压：
DC5V
< br>；
2
、静态电流：小于
2mA
；
3
、电平输出：高
< br>5V
；
4
、电平输出：底
0V
；
5
、感应
角度：不大于
15
度；