如何使用FPGA进行超声波测距系统的设计

　　超声测距作为一种非接触测量技术 ，由于其性能好，价格低廉，使用方便，被广泛应用于工业测量，车辆障碍物避免，安全警告，自动导航和机器人领域等领域。 然而，在超声波测距的实际应用中有很多局限性，特别是在具体工作环境下，如何提高超声波测距精度和量程需要进一步研究，对于超声波检测技术的发展具有重要的应用意义。 目前市场上大量的超声波测距系统是基于传统SCM作为信号发生器来产生驱动信号的，而成本低，但测量超声波传感器的通行时间的驱动精度和效率， 测量精度不能令人满意。 作为一种高密度可编程器件，FPGA具有运行速度快，内部资源丰富的特点，为开发高性能超声波测距传感器提供了新的方案。 因此，本文设计了一种基于FPGA的超声波测距系统。 超声波测距的核心是超声波信号的收发器，本文通过分析传统SCM内部指令运行时间存在时间延迟误差，由于其精度不能满足精密测量设计缺陷的要求，超声波测距硬件 系统在FPGA上，结合超高速设计采用FPGA软件对全局时钟信号进行分频处理，实现了超声波驱动信号中心频率的精确控制; 并采用频率计数方式通过时间实现超声波的精确测量，测量精度高。

　　科技飞速发展时至今日，超声波测距广泛应用于工业，农业，交通，环保，安全，能源测量等科学领域，超声波测距的测量精度，测量距离，可靠性等监测性能指标并控制提高系统的精度和可靠性，提高生产效率，促进科技的发展非常重要。随着经济的飞速发展，交通运输系统越来越严重，交通安全问题越来越受到重视。近年来，大雨，雾or夜驾驶等船舶运输频繁发生事故常常导致航道知名度下降，碰撞事故减少。超声波测距技术具有黑暗，灰尘，烟雾等恶劣环境正常工作的特点，引进超声波测距系统可以减轻运输可行的超声波测距系统，设计结构的问题有所不同，性能差异也是不同。目前市面上主流的超声波测距系统主要是以8位或16位微控制器为主要芯片，生成驱动信号，并负责接收和处理回波，控制实际通讯。这种治疗成本降低，但测量精度，测量距离以及受控制能力的时间限制。超声波测距的核心是超声波信号的收发器，传统的单片机内部指令运行时间存在时间延迟误差，精度不能满足精度测量要求，FPGA（现场可编程门阵列）的设计被引入超声波测距系统的设计，利用其较高的运行速度和丰富的片内资源，取代单片机，提高对超声波工作频率的控制精度以及对超声波收发渡越时间的测量精度。

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array现场可编程门阵列）是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于其集成度高（单门数字系统与数千万门）和高速（200MHz以上）相结合，在线系统编程的优势为数字系统设计带来突破，芯片数字系统设计与自动化，完善设计周期，设计灵活性和可靠性单数字系统。它在超高速信号处理和实时测量和控制中具有广泛的应用。由于超声波的方向性强，能量消耗缓慢，距离远离介质，经常用于距离测量3。主要用于逆变雷达，测距仪，液位测量，移动机器人设计，建筑施工现场等一些工业领域，如距离，水平，深度，管道长度，流量等。超声波检测的使用往往更多快速，方便，计算简单，易于实现实时控制，测量精度可以满足工业应用的要求，因此已被广泛应用。

　　当物体振动时发出声音。科学家们称每秒钟频率为每秒的振动次数。我们的人耳可以听到20〜20000Hz的声波频率。当声波的振动频率大于20000Hz或小于20Hz时，听不到声音。因此，我们称频率高于20000Hz超声波“16J”。超声波和声音本质上是一样的，它们有一个共同的机械振动，通常在弹性介质中是纵向的，能量是一种通讯形式，区别在于超声波的高频和短波长。超声波是弹性介质中的一种机械振荡，传播速度仅为光源的百分之一，垂直分辨率更高。超声波对颜色，光强度，环境光和电磁场不敏感，分析物在黑暗，灰尘或烟雾中，超声波强大的电磁干扰，有毒等不利环境具有很强的适应能力。由于超声波能量消耗较慢，中距离传播，声速在一个较大的范围内，与频率无关，超声波的独特优点被认为是军工，行业，交通中的测距技术的良好选择，数字电子设备的三种基本类型是存储器，微处理器和逻辑器件。逻辑器件提供接口，数据通信，信号处理，数据显示，定时和控制操作以及系统操作等各种功能。它可以分为两类：固定逻辑器件和可编程逻辑器件。固定逻辑器件中的电路是永久性的，用于执行一个或多个功能。可编程逻辑器件可以随时在这些器件上进行修改，以完成各种不同的功能。

　　可编程逻辑器件英文全称为：programmable logic device即PLD。PLD作为通用集成电路生成，其逻辑功能根据用户的设备编程确定。两种主要类型是：现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD），这两种类型的可编程逻辑器件的结构不同。大多数CPLD都是基于产品术语的结构，FPGA是基于查找表的结构，所以FPGA更适合于触发器的丰富结构，而CPLD更适合于结构化触发器的有限和乘积。与固定逻辑器件相比，可编程逻辑器件的优点包括以下几个方面：

　　1.在设计过程中为可编程逻辑器件提供更大的灵活性，重复设计只需改变编程文件即可更改，并可立即在设备工作中看到设计结果。

　　2.不需要很长的交付时间来创建原型或正式产品，因为可编程逻辑器件在市场上非常活跃，易于购买。

　　3.不需要客户支付一次性工程成本高（非经常性工程，NRE）和购买昂贵的面罩组，因为在相同的芯片中重复编程，实现不同的功能，因此可以延长产品的生命周期，以分摊花费在芯片上花费的成本。

　　4.允许客户在必要时订购所需数量，以便客户控制库存。

　　5.可以用可编程逻辑器件进行重新编程，为设备和升级添加新功能，只需将新的编程文件下载到可编程逻辑器件，就可以在硬件逻辑中创建一个新的系统。

　　6.个知识产权（IP）核心图书馆的支持越来越多。用户可以使用这些预定义和预先测试的软件模块来快速实现可编程逻辑器件中的系统功能。

　　人们可以听到声音频率为20Hz〜20kHz，超出了声音的声音范围，语音，20Hz以下的声音称为低频声波，声音超过20kHz，称为超声波，说频率范围为100Hz〜8kHz。

　　可编程逻辑器件的价值在于其能够大大缩短电子产品制造商的开发周期，节

　　约开发成本，随着可编程逻辑器件集成度的提高，成本的降低，更多口核的面市，可编程逻辑器件一定会在数字设计领域进一步普及。用硬件语言编程，没有指令控制系统，控制能力较弱。但具有很强的时序控制能力和逻辑组合能力，对于通信接口特别是高速接口可以将不同速率不同协议的耦合和桥接。运行速率约为几百兆赫兹，采用外部晶振的频率可超过100MHz。整个系统的核心部分是超声波的收发控制端和信号处理部分，正是出于这种考虑现在主流的设计是采用单片机做为主控芯片负责产生超声波驱动信号并对回波进行数据处理，控制现实输出119之0。定超声波驱动信号的效果。同时对于会波信号的处理，和整个超声波测距总计时，超声波周期的精确时间是一个重要的参数。对于驱动信号频率的严格控制，总计时的时间控制，是系统高性能保障重要条件.FPGA是在CPLD的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用SRAM工艺，也有一些专用器件采用flash工艺或反熔丝（Anti．Fuse）工艺等。FPGA的集成度很高，其器件密度从数万系统门到千万系统门不等，可以完成及其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速，高密度的高端数字逻辑电路设计领域。FPGA的基本组成部分有可编程输入／输出单元，基本可编程逻辑单元，嵌入式块RAM，丰富的布线资源，底层嵌入功能单元，内嵌专用硬核等。

　　人们可以听到的声音频率为20Hz～20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，20Hz以下的声音称为低频声波，声音超过20kHz，称为超声波，说频率范围为100Hz〜8kHz。

　　超声波传输线频率越高，衍射能力越弱，反射超声波性能越强，可用于制造超声波传感器5。此外，超声波在空气中的传播速度较慢，约为340m/s，这使得超声波传感器的使用变得非常简单。

　　超声波传感器设置有发射器和接收器，但也可以使用超声波传感器来发送和接收声波。超声波传感器一般市场上销售一种特殊类型和两用型，特殊类型用于传输超声波发射器，接收器用于接收超声波发射器和接收器;并且是集成传感器，可以发送和接收超声波超声波。超声波传感器的谐振频率（中心频率）为23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。谐振频率越高，检测距离越短，分辨率越高。

　　超声波传感器是基于压电效应的原理，压电效应具有逆效应，超声波传感器的作用是可逆元件，超声波发射器采用压电反效应原理。所谓的反压电效应，如图1-1所示，是施加在压电元件上的电压，元件变形，即应变。如果压电陶瓷的极化电压极性如图1-2所示，则外部正电荷极化和压电陶瓷正电荷排斥，同时，外极化负电荷和负电荷排斥。由于压电陶瓷的排斥效应在厚度方向上缩短，长度方向的伸长率。如果外部极性的极性反转，压电陶瓷在厚度方向上延伸并沿长度方向缩短。

　　超声波传感器采用双晶振荡器，即两个压电陶瓷片沿相反的极化方向粘合在一起。在双晶振子的两面上涂敷薄膜电极，该双电晶振子通过金属板（振动板）通过引线与电极端连接。双晶振子是正方形的，方形的左右两侧由弧形凸部支撑。这两个枢轴成为振动振动的节点。金属板的中心具有锥形振动器。发送超声波，锥形振荡器具有较强的方向性，可有效发送超声波;在振动器中心接收超声波，超声波振动，因此高频电压产生高效率。

　　超声波传感器采用双晶振荡器，如果在双晶振子发射器（谐振频率40kHz）的高频电压下施加40kHz，压电陶瓷在高频电压下的极性伸长和缩短，并可以发送40kHz的超声波频率。超声波以密集波的形式传输并传输到超声波接收器。超声波接收机是压电效应的原理，也就是在压电元件的特定方向施加压力，发生元件应变，导致正极侧，另一侧为负电压。如果接收到的超声波发射机，振荡器发射超声频率振动，从而产生高频电压和超声波频率，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。