【 FPGA 】超声波测距小实验（一）

超声波测距原理：

超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，它的根据是接收器接到超声波时的时间差，与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t（秒），就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2）

计算公式可近似为：s=340t/2（精确的情况稍微不同）

实验所用超声波测距实物为：

超声波测距时序图：

触发信号是一个持续10us的高电平脉冲，检测到触发信号后，超声波测距模块将发出8个40KHz的脉冲并检测回波信号，一旦检测到回波信号则此模块输出回响信号，回响信号的脉冲长度与测试距离成正比。

计算公式近似为：s=340t/2

下面是FPGA实现的功能框图：

如上图，回波信号echo作为输入信号输入到FPGA的Chipscope进行采集，来查看echo信号的长度，由此来得出测量距离。

引用特权的程序吧，虽然有的部分不太喜欢，但总体还是能提供一个思路：

/
//工程硬件平台： Xilinx Spartan 6 FPGA
//每10us产生一个持续时间为40ns的高脉冲
/
module clkdiv_generation(input clk,     //外部输入25MHz时钟信号input rst_n, //外部输入复位信号，低电平有效output clk_100khz_en //100KHz频率的一个时钟使能信号，即每10us产生一个时钟脉冲);                                                         //-------------------------------------------------
//时钟分频产生
reg[7:0] cnt;   //时钟分频计数器，0-249//1s定时计数
always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) cnt <= 8'd0;else if(cnt < 8'd249) cnt <= cnt+1'b1;else cnt <= 8'd0;assign clk_100khz_en = (cnt == 8'd249) ? 1'b1:1'b0;      //每10us产生一个40ns的高脉冲             endmodule

/
//工程硬件平台： Xilinx Spartan 6 FPGA
/
module ultrasound_controller(input clk,     //外部输入25MHz时钟信号input rst_n, //外部输入复位信号，低电平有效input clk_100khz_en, //100KHz频率的一个时钟使能信号，即每10us产生一个时钟脉冲output ultrasound_trig,    //超声波测距模块脉冲激励信号，10us的高脉冲input ultrasound_echo        //超声波测距模块回响信号);                                                         //-------------------------------------------------
//1s定时产生逻辑
reg[16:0] timer_cnt;    //1s计数器，以100KHz（10us）为单位进行计数，计数1s需要的计数范围是0~99999//1s定时计数
always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) timer_cnt <= 17'd0;else if(clk_100khz_en) beginif(timer_cnt < 17'd99_999) timer_cnt <= timer_cnt+1'b1;else timer_cnt <= 17'd0;endelse ;assign ultrasound_trig = (timer_cnt == 17'd1) ? 1'b1:1'b0;       //10us高脉冲生成                     endmodule

下面是主模块，调用上面的两个模块：

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//工程硬件平台： Xilinx Spartan 6 FPGA
/
//每秒产生1个超声波测距模块所需的10us高脉冲激励，并用chipscope pro查看回响信号
module sp6(input ext_clk_25m,   //外部输入25MHz时钟信号input ext_rst_n, //外部输入复位信号，低电平有效output ultrasound_trig,  //超声波测距模块脉冲激励信号，10us的高脉冲input ultrasound_echo,       //超声波测距模块回响信号output[0:0] led        //D2指示灯);                                                   //-------------------------------------
//PLL例化
wire clk_12m5;  //PLL输出12.5MHz时钟
wire clk_25m;   //PLL输出25MHz时钟
wire clk_50m;   //PLL输出50MHz时钟
wire clk_100m;  //PLL输出100MHz时钟
wire sys_rst_n; //PLL输出的locked信号，作为FPGA内部的复位信号，低电平复位，高电平正常工作pll_controller uut_pll_controller(// Clock in ports.CLK_IN1(ext_clk_25m),      // IN// Clock out ports.CLK_OUT1(clk_12m5),     // OUT.CLK_OUT2(clk_25m),     // OUT.CLK_OUT3(clk_50m),     // OUT.CLK_OUT4(clk_100m),     // OUT// Status and control signals.RESET(~ext_rst_n),// IN.LOCKED(sys_rst_n));      // OUT      //-------------------------------------
//25MHz时钟进行分频，产生一个100KHz频率的时钟使能信号
wire clk_100khz_en; //100KHz频率的一个时钟使能信号，即每10us产生一个时钟脉冲clkdiv_generation  uut_clkdiv_generation(.clk(clk_25m),        //时钟信号.rst_n(sys_rst_n),    //复位信号，低电平有效.clk_100khz_en(clk_100khz_en)    //100KHz频率的一个时钟使能信号，即每10us产生一个时钟脉冲);         //-------------------------------------
//每秒产生一个10us的高脉冲作为超声波测距模块的激励ultrasound_controller   uut_ultrasound_controller(.clk(clk_25m),        //时钟信号.rst_n(sys_rst_n),    //复位信号，低电平有效.clk_100khz_en(clk_100khz_en),   //100KHz频率的一个时钟使能信号，即每10us产生一个时钟脉冲.ultrasound_trig(ultrasound_trig), //超声波测距模块脉冲激励信号，10us的高脉冲.ultrasound_echo(ultrasound_echo)        //超声波测距模块回响信号); //-------------------------------------
//input信号必须经过IBUF后，才能作为chipscope中查看
wire ultrasound_echo_r;IBUF #(.IOSTANDARD("DEFAULT")    // Specify the input I/O standard)IBUF_inst (.O(ultrasound_echo_r),     // Buffer output.I(ultrasound_echo)      // Buffer input (connect directly to top-level port));assign led[0] = ultrasound_echo_r;endmodule

可以用Chipscope来查看回响信号的长度，这里省略，下篇博文，添加一个数码管动态扫描显示模块，将回响信号在数码管上显示出来。

超声波测距小实验（二）：数码管显示回响信号脉冲宽度

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