【 FPGA 】超声波测距小实验（一）
【摘要】 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...
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：
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//工程硬件平台： Xilinx Spartan 6 FPGA
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//每10us产生一个持续时间为40ns的高脉冲
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module clkdiv_generation(
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input clk, //外部输入25MHz时钟信号
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input rst_n, //外部输入复位信号，低电平有效
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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
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);
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//时钟分频产生
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reg[7:0] cnt; //时钟分频计数器，0-249
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//1s定时计数
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always @(posedge clk or negedge rst_n)
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if(!rst_n) cnt <= 8'd0;
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else if(cnt < 8'd249) cnt <= cnt+1'b1;
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else cnt <= 8'd0;
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assign clk_100khz_en = (cnt == 8'd249) ? 1'b1:1'b0; //每10us产生一个40ns的高脉冲
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endmodule
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//工程硬件平台： Xilinx Spartan 6 FPGA
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module ultrasound_controller(
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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
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output ultrasound_trig, //超声波测距模块脉冲激励信号，10us的高脉冲
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input ultrasound_echo //超声波测距模块回响信号
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);
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//-------------------------------------------------
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//1s定时产生逻辑
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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
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//1s定时计数
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always @(posedge clk or negedge rst_n)
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if(!rst_n) timer_cnt <= 17'd0;
-
else if(clk_100khz_en) begin
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if(timer_cnt < 17'd99_999) timer_cnt <= timer_cnt+1'b1;
-
else timer_cnt <= 17'd0;
-
end
-
else ;
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assign ultrasound_trig = (timer_cnt == 17'd1) ? 1'b1:1'b0; //10us高脉冲生成
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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
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//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
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module sp6(
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input ext_clk_25m, //外部输入25MHz时钟信号
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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
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);
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//PLL例化
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wire clk_12m5; //PLL输出12.5MHz时钟
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wire clk_25m; //PLL输出25MHz时钟
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wire clk_50m; //PLL输出50MHz时钟
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wire clk_100m; //PLL输出100MHz时钟
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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
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pll_controller uut_pll_controller
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(// Clock in ports
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.CLK_IN1(ext_clk_25m), // IN
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// Clock out ports
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.CLK_OUT1(clk_12m5), // OUT
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.CLK_OUT2(clk_25m), // OUT
-
.CLK_OUT3(clk_50m), // OUT
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.CLK_OUT4(clk_100m), // OUT
-
// Status and control signals
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.RESET(~ext_rst_n),// IN
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.LOCKED(sys_rst_n)); // OUT
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//-------------------------------------
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//25MHz时钟进行分频，产生一个100KHz频率的时钟使能信号
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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
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clkdiv_generation uut_clkdiv_generation(
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.clk(clk_25m), //时钟信号
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.rst_n(sys_rst_n), //复位信号，低电平有效
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.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
-
);
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//-------------------------------------
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//每秒产生一个10us的高脉冲作为超声波测距模块的激励
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ultrasound_controller uut_ultrasound_controller(
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.clk(clk_25m), //时钟信号
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.rst_n(sys_rst_n), //复位信号，低电平有效
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.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
-
);
-
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//-------------------------------------
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//input信号必须经过IBUF后，才能作为chipscope中查看
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wire ultrasound_echo_r;
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IBUF #(
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.IOSTANDARD("DEFAULT") // Specify the input I/O standard
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)IBUF_inst (
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.O(ultrasound_echo_r), // Buffer output
-
.I(ultrasound_echo) // Buffer input (connect directly to top-level port)
-
);
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assign led[0] = ultrasound_echo_r;
-
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-
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。
文章来源: reborn.blog.csdn.net，作者：李锐博恩，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。
原文链接：reborn.blog.csdn.net/article/details/86546143
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