基于FPGA的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院，黑龍江綏化,152061）

基于FPGA的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張全禹,蘇寶林,李懷亮,孫培剛

（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院，黑龍江綏化,152061）

針對單片機(jī)為控制核心的測距系統(tǒng)運(yùn)行速度慢、抗干擾能力低且測量精度難以提高的不足，文中給出了以FPGA為控制核心、基于回波檢測法的超聲波測距系統(tǒng)，主要由超聲波測距模塊、FPGA模塊和溫度測量電路模塊構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)，精度較高，可以滿足車輛避障、液位測量等場合的用戶需求。

FPGA；超聲波測距；回波檢測

0 引言

隨著傳感器技術(shù)和測量技術(shù)的發(fā)展，非接觸測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事等相關(guān)領(lǐng)域。超聲波測量技術(shù)是典型非接觸測量技術(shù)之一，具有方向性好、抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其對被測物體處于光線弱、有毒、粉塵或煙霧以及強(qiáng)電磁等惡劣環(huán)境下，超聲波有很強(qiáng)的適應(yīng)性。超聲波測量技術(shù)已廣應(yīng)用于液位測量、機(jī)械內(nèi)部損傷檢測、車輛避障、現(xiàn)場機(jī)器人等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。目前，大部分超聲波測距系統(tǒng)都是以單片機(jī)為控制核心，其系統(tǒng)運(yùn)行速度慢、抗干擾能力低、而且測量精度難以提高，難以滿足用戶的需求。FPGA是一種高密度可編程器件，具有IO口多、并行運(yùn)算、集成度高等特點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)單片機(jī)為控制核心的不足，為開發(fā)和設(shè)計(jì)高速、高精度的超聲波測距系統(tǒng)提供了參考。

1 超聲波測距原理

超聲波測距的方法包括相位檢測法、峰值檢測法和回波檢測法。其中回波檢測法原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)，因此，本文選用回波檢測法。超聲波測距原理如圖1所示。超聲波傳感器發(fā)射探頭向外發(fā)射超聲波，計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)，在介質(zhì)的傳輸過程中遇到物體后反射回來，超聲波傳感器接收探頭接收到反射波，計(jì)數(shù)器終止計(jì)數(shù)。由超聲波的傳播速率和往返時(shí)間可確定超聲波傳感器與物體的距離。

其中，V為超聲波的傳播速率，m/s；T為超聲波傳播過程中經(jīng)歷的時(shí)間，s ；也叫渡越時(shí)間；S為超聲波傳感器與物體之間的距離，m。

圖1 超聲波測距原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以ALTERA公司的CycloneIV系列的EP4CE6F17C8型FPGA為控制器，采用收發(fā)一體的HC-SR04超聲波測距模塊進(jìn)行測距。該系統(tǒng)主要包括超聲波測距模塊、FPGA模塊、溫度測量電路模塊和電源模塊四部分，其中FPGA模塊在FPGA開發(fā)系統(tǒng)上完成。基于FPGA的超聲波測距系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 超聲波測距系統(tǒng)框圖

超聲波測距模塊主要是發(fā)射超聲波信號和接收回波信號；FPGA模塊主要是對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制、采集相關(guān)信息和處理；溫度測量電路模塊主要是測量環(huán)境的溫度，給FPGA控制器提供修證聲速值的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)；電源模塊是為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。

2.1 超聲波測距模塊

本文選用中心頻率為40kHz的HC-SR04超聲波測距模塊。該模塊的探測距離為2cm~400cm，工作用電壓為5V，靜態(tài)工作電流小于2mA，感應(yīng)角度小于15度，滿足本設(shè)計(jì)需求。它主要包括電源接口、接地接口、控制端口和接收端口。其中控制端口用于接收控制器FPGA輸出大于10us的觸發(fā)信號；接收端口用于計(jì)算高電平信號的時(shí)間（渡越時(shí)間）。超聲波測距模塊如圖3所示。

2.2 溫度測量電路模塊

由于聲速主要與環(huán)境溫度有關(guān)，因此為了提高測距精度，設(shè)計(jì)了溫度測量電路。在空氣介質(zhì)中，聲速與溫度的關(guān)系為：

其中，T為環(huán)境攝氏溫度，℃。由此關(guān)系式可得到聲速與溫度的關(guān)系表及修正關(guān)系表。

文中選用美國Dallas半導(dǎo)體公司的智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該傳感器為單總線式，它的測量范圍寬（-55~125）、分辨率高、體積小而且連線簡單，溫度測量電路如圖4所示。

圖4 溫度測量電路

2.3 FPGA內(nèi)部電路模塊

FPGA內(nèi)部電路包括觸發(fā)信號產(chǎn)生電路、計(jì)數(shù)時(shí)鐘電路、計(jì)數(shù)電路、門檻電路、查表電路、數(shù)據(jù)處理電路和溫度、距離顯示控制電路等。在時(shí)鐘作用下FPGA內(nèi)部產(chǎn)生40kHz的觸發(fā)信號送給超聲波測距模塊，超聲波換能器發(fā)射超聲波，計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)（接收端為高電平），當(dāng)接收到回波信號時(shí)，接收端變?yōu)榈碗娖剑?jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。同時(shí)溫度測量電路將采集的溫度數(shù)據(jù)送給查表電路進(jìn)行聲速數(shù)據(jù)修正。最后將計(jì)數(shù)值和修正的聲速數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)電路處理和計(jì)算出距離，并在數(shù)碼管上顯示。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的測量精度，在室溫25℃下，選用室內(nèi)的墻壁做為研究對象進(jìn)行了實(shí)際測量實(shí)驗(yàn)。隨機(jī)抽取了5次實(shí)測結(jié)果并求出了平均值、絕對誤差和相對誤差。數(shù)據(jù)如表1所示。

4 結(jié)束語

本文采用回波檢測法和利用FPGA芯片的強(qiáng)大優(yōu)勢設(shè)計(jì)了以FPGA為控制核心的測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)，精度較高，克服了以單片機(jī)為控制核心的測距系統(tǒng)的不足，能夠滿足車輛避障、液位測量等場合的用戶需求，如果需要測量不同角度的物體，可以在原有測距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展即可。

[1] 李戈，孟祥杰等．國內(nèi)超聲波測距研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J]．測繪科學(xué)，2011，36(3)：60．

[2] 楊兆飛，司洋．基于FPGA超聲波測距系統(tǒng)的改進(jìn)[J]．電子測試，2012，(8)：39-41．

[3] 潘松，黃繼業(yè)等．EDA技術(shù)與VerilogHDL[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2010．

Research of ultrasonic ranging based on FPGA

Zhang Quanyu,Su Baolin,Li Huailiang,Sun Peigang
（School of Electrical Engineering,SuiHua university，Heilongjiang SuiHua,152061,China）

For MCU as the core of the control system is running slow distance,noise immunity is low and difficult to improve the measurement accuracy is insufficient,This paper presents an FPGA as the control center,echo detection method based on ultrasonic ranging system,mainly by ultrasonic ranging module,FPGA module and temperature measurement circuit modules.Experimental results show that:the system is fast, strong anti-jamming capability,high accuracy,avoidance of vehicles to meet user demand level measurement and other occasions.

FPGA;ultrasonic ranging;echo detection

張全禹（1984-），男，黑龍江省雙城市人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

綏化學(xué)院2013年科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目（K1302002）