FPGA零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)之Vivado-超聲波驅(qū)動設(shè)計(jì)

作者：李西銳??校對：陸輝

大俠好，歡迎來到FPGA技術(shù)江湖。本系列將帶來FPGA的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，從最基本的數(shù)字電路基礎(chǔ)開始，最詳細(xì)操作步驟，最直白的言語描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類專業(yè)學(xué)生、初入職場小白及打算進(jìn)階提升的職業(yè)開發(fā)者都可以有系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的機(jī)會。

系統(tǒng)性的掌握技術(shù)開發(fā)以及相關(guān)要求，對個人就業(yè)以及職業(yè)發(fā)展都有著潛在的幫助，希望對大家有所幫助。本次帶來Vivado系列，超聲波驅(qū)動設(shè)計(jì)。話不多說，上貨。

一、簡介

聲音是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊环N信號，在傳遞信息的同時，也在生活中的各個領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。根據(jù)聲音的頻率，我們將聲音大致劃分為三個階段，人耳的聽力范圍，一般在20Hz~20000Hz之間。低于這個范圍，我們稱之為次聲波；高于這個范圍，稱之為超聲波。超聲波的應(yīng)用比較廣泛，比如：超聲波檢查、超聲波碎石、超聲波清洗、超聲波測速、超聲波測距等等。此次我們就來研究一下它的其中一項(xiàng)應(yīng)用：超聲波測距。

我們用到的試驗(yàn)?zāi)K為HC-SR04超聲波模塊，它的測量距離在2cm~400cm之間。測量精度在3mm左右。模塊包含了超聲波的發(fā)射器、接收器和控制電路。超聲波發(fā)射器在啟動后會發(fā)出固定頻率的方波，用聲波去測量距離，不需要我們接觸被測物體，在空間上使得我們測距變得方便很多。

二、工作原理

1、采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號，測量周期建議在60ms以上，以防止發(fā)射的信號對回響信號造成影響。

2、模塊會自動發(fā)送8個40Khz的方波信號，接收器自動檢測是否有回響信號返回。

3、有信號返回時，通過IO口ECHO輸出一個高電平信號，高電平持續(xù)的時間就是方波從發(fā)射到返回的時間。測量距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2；

在此需要我們注意的事，發(fā)射器是自動發(fā)送方波信號的，而且會自動檢測是否有信號返回，這讓我們省去了一大部分工作，使得測量變得簡單。其次，在計(jì)算測量距離時，我們要將計(jì)算出來的結(jié)果除以2，因?yàn)槲覀儨y得的時間是往返的時間，也就是雙倍的路程。

三、實(shí)物圖

四、電氣參數(shù)

五、超聲波時序圖

在時序圖中，我們可以看出，我們需要生成一個周期至少為60ms，且高電平維持時間至少為10us的一個觸發(fā)信號。

六、實(shí)驗(yàn)要求

此次設(shè)計(jì)，要求能夠正常驅(qū)動模塊，計(jì)算出的距離，計(jì)算其平均值以保證準(zhǔn)確性。數(shù)碼管上顯示出距離，單位為m，精確到mm。并且，蜂鳴器能夠根據(jù)距離響出不同頻率的報警聲音，距離越近，響聲頻率越頻繁。

七、設(shè)計(jì)框架

?

?八、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在計(jì)算回響信號的時間時，我們可以檢測回響信號的上升沿和下降沿來作為計(jì)時器的開始和結(jié)束。在我們計(jì)算出距離之后，可以每三個數(shù)據(jù)計(jì)算一次平均值。然后將數(shù)據(jù)輸出給其他模塊。

首先，我們新建工程。

選擇新建文件，然后先新建頂層文件

按照我們所畫框架，寫入頂層端口。

重復(fù)上述新建文件的過程，新建ultrasonic_driver文件，代碼如下：

1    module ultrasonic_driver(2  3      input   wire               clk,4      input   wire               rst_n,5      input   wire               echo,6      output   reg               trig,7      output   reg     [11:0]      distance,8      output   reg               data_valid9    );10 11     parameter   t = 3_000_000;12 13     reg       [21:0]      cnt;14     reg                 state;15     reg                 echo_r, echo_rr;16     reg       [20:0]      echo_cnt;17     reg       [20:0]      cnt_temp;18     wire       [11:0]      d_r;19     reg       [35:0]      temp;20     reg                 data_valid_r;21     22     always @ (posedge clk)  echo_r <= echo;23     always @ (posedge clk)  echo_rr <= echo_r;24     25     always @ (posedge clk, negedge rst_n)26     begin27       if(rst_n == 1'b0)28         cnt <= 22'd0;29       else if(cnt == t - 1)30         cnt <= 22'd0;31       else32         cnt <= cnt + 1'b1;33     end34 35     always @ (posedge clk, negedge rst_n)36     begin37       if(rst_n == 1'b0)38         trig <= 1'b0;39       else if(cnt < 1000)40         trig <= 1'b1;41       else42         trig <= 1'b0;43     end44 45     always @ (posedge clk, negedge rst_n)46     begin47       if(rst_n == 1'b0)48         begin49           echo_cnt <= 21'd0;50           state <= 1'd0;51           data_valid_r <= 1'b0;52           echo_cnt <= 21'd0;53         end54       else55         case(state)56           1'd0  :  begin57                   if(echo_r & (~echo_rr))58                     state <= 1'd1;59                   else60                     begin61                       state <= 1'd0;62                       data_valid_r <= 1'b0;63                     end64                 end65           1'd1  :  begin66                   if((~echo_r) & echo_rr)67                     begin68                       state <= 1'd0;69                       echo_cnt <= 21'd0;70                       cnt_temp <= echo_cnt;71                       data_valid_r <= 1'b1;72                     end73                   else74                     begin75                       state <= 1'd1;76                       echo_cnt <= echo_cnt + 1'b1;77                       cnt_temp <= cnt_temp;78                     end79                 end80         endcase81     end82     83     assign d_r = cnt_temp * 34 / 10_000;84     85     always @ (posedge clk, negedge rst_n)86     begin87       if(rst_n == 1'b0)88         temp <= 36'd0;89       else if(data_valid_r)90         temp <= {temp[23:0],d_r};91       else92         temp <= temp;93     end94     95     always @ (posedge clk) data_valid <= data_valid_r;96     97     always @ (posedge clk, negedge rst_n)98     begin99       if(rst_n == 1'b0)100        distance <= 12'd0;101      else if(data_valid)102        distance <= (temp[35:24] + temp[23:12] + temp[11:0]) / 3;103      else104        distance <= distance;105    end106107  endmodule

在完成測距時，輸出一個valid信號，這個信號要作為后續(xù)我們保存數(shù)據(jù)以及計(jì)算平均值的標(biāo)志信號。

數(shù)碼管代碼如下：

1   module seven_tube_driver(2 3     input   wire          clk,4     input   wire          rst_n,5     input   wire  [11:0]  data,   6     7     output  reg     [5:0] sel,8     output  wire    [7:0] seg9   );10    11    parameter t = 50000;12    13    reg   [15:0]  cnt;14    reg   [3:0]   show_data;15    reg   [7:0]   seg_r;16    17    always @ (posedge clk, negedge rst_n)18    begin19    if(rst_n == 1'b0)20      cnt <= 16'd0;21    else if(cnt == t - 1)22      cnt <= 16'd0;23    else24      cnt <= cnt + 1'b1;25    end26    27    always @ (posedge clk, negedge rst_n)28    begin29    if(rst_n == 1'b0)30      sel <= 6'b111_110;31    else if(cnt == t - 1)32      sel <= {sel[4:0],sel[5]};33    else34      sel <= sel;35    end36    37    always @ (*)38    begin39    case(sel)40      6'b111_110  : show_data = 4'hf;41      6'b111_101  : show_data = 4'hf;42      6'b111_011  : show_data = data/1000;43      6'b110_111  : show_data = data/100%10;44      6'b101_111  : show_data = data/10%10;45      6'b011_111  : show_data = data%10;46      default : show_data = 4'd0;47    endcase48    end49    50    always @ (*)51    begin52    case(show_data)53      4'd0  : seg_r = 8'b1100_0000;54      4'd1  : seg_r = 8'b1111_1001;55      4'd2  : seg_r = 8'b1010_0100;56      4'd3  : seg_r = 8'b1011_0000;57      4'd4  : seg_r = 8'b1001_1001;58      4'd5  : seg_r = 8'b1001_0010;59      4'd6  : seg_r = 8'b1000_0010;60      4'd7  : seg_r = 8'b1111_1000;61      4'd8  : seg_r = 8'b1000_0000;62      4'd9  : seg_r = 8'b1001_0000;63      default:  seg_r = 8'd0;64    endcase65    end66    67    assign seg = (sel == 6'b111_011) ? (seg_r & 8'b0111_1111) : seg_r;68    69  endmodule

第67行的作用是為了在顯示時，顯示一個小數(shù)點(diǎn)，這樣數(shù)碼管顯示的數(shù)值單位就為米，精確度為毫米。

在蜂鳴器模塊中，蜂鳴器的響聲為“嘀嘀”的響聲，我們可以根據(jù)距離的大小，讓蜂鳴器響聲的快慢作出改變。

我們根據(jù)距離改變計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)次數(shù)，以達(dá)到兩次“嘀嘀”響聲的時間間隔發(fā)生變化。

寫好代碼之后，我們做一下仿真，代碼如下：

1   `timescale 1ns / 1ps2 3   module ultrasonic_tb;4 5     reg                clk;6     reg                rst_n;7     reg                echo;8     wire               trig;9     wire       [5:0]      sel;10    wire       [7:0]      seg;11    wire               beep;12    13    defparam ultrasonic_inst.ultrasonic_driver_inst.t = 3000;14    15    initial begin16      clk = 1'b0;17      rst_n = 1'b0;18      echo = 1'b0;19      #105;20      rst_n = 1'b1;21      #1000;22      23      repeat(10) begin24      @ (negedge trig);25      #1002;26      echo = 1'b1;27      #20000;28      echo = 1'b0;29      end30      #10000;31      $stop;32    end33    34    always #10 clk = ~clk;35    36    ultrasonic ultrasonic_inst(37    .clk      (clk  ),38    .rst_n      (rst_n  ),39    .echo      (echo  ),40    .trig      (trig  ),41    .sel      (sel  ),42    .seg      (seg  ),43    .beep      (beep  )44  );45    46  endmodule

仿真圖如下：

從圖中我們可以看出，距離在多次采樣之后達(dá)到了穩(wěn)定值。由于我們仿真時間給的較短，所以距離的數(shù)值不大，但是已經(jīng)足夠看出結(jié)果。