基于FPGA的超聲波測距系統設計與實現

（綏化學院電氣工程學院，黑龍江綏化,152061）

基于FPGA的超聲波測距系統設計與實現

張全禹,蘇寶林,李懷亮,孫培剛

（綏化學院電氣工程學院，黑龍江綏化,152061）

針對單片機為控制核心的測距系統運行速度慢、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，主要由超聲波測距模塊、FPGA模塊和溫度測量電路模塊構成。實驗表明：該系統運行速度快、抗干擾能力強，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

隨著傳感器技術和測量技術的發展，非接觸測量技術已廣泛應用于工業測量、農業生產、軍事等相關領域。超聲波測量技術是典型非接觸測量技術之一，具有方向性好、抗干擾強的特點，尤其對被測物體處于光線弱、有毒、粉塵或煙霧以及強電磁等惡劣環境下，超聲波有很強的適應性。超聲波測量技術已廣應用于液位測量、機械內部損傷檢測、車輛避障、現場機器人等領域，應用前景廣闊。目前，大部分超聲波測距系統都是以單片機為控制核心，其系統運行速度慢、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、并行運算、集成度高等特點，能夠彌補單片機為控制核心的不足，為開發和設計高速、高精度的超聲波測距系統提供了參考。

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、易于實現，因此，本文選用回波檢測法。超聲波測距原理如圖1所示。超聲波傳感器發射探頭向外發射超聲波，計時器開始計數，在介質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，計數器終止計數。由超聲波的傳播速率和往返時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歷的時間，s ；也叫渡越時間；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 系統設計

本系統以ALTERA公司的CycloneIV系列的EP4CE6F17C8型FPGA為控制器，采用收發一體的HC-SR04超聲波測距模塊進行測距。該系統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開發系統上完成。基于FPGA的超聲波測距系統框圖如圖2所示。

圖2 超聲波測距系統框圖

超聲波測距模塊主要是發射超聲波信號和接收回波信號；FPGA模塊主要是對整個系統進行控制、采集相關信息和處理；溫度測量電路模塊主要是測量環境的溫度，給FPGA控制器提供修證聲速值的環境溫度數據；電源模塊是為整個系統提供電源。

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，靜態工作電流小于2mA，感應角度小于15度，滿足本設計需求。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的觸發信號；接收端口用于計算高電平信號的時間（渡越時間）。超聲波測距模塊如圖3所示。

2.2 溫度測量電路模塊

由于聲速主要與環境溫度有關，因此為了提高測距精度，設計了溫度測量電路。在空氣介質中，聲速與溫度的關系為：

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

文中選用美國Dallas半導體公司的智能數字溫度傳感器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內部電路模塊

FPGA內部電路包括觸發信號產生電路、計數時鐘電路、計數電路、門檻電路、查表電路、數據處理電路和溫度、距離顯示控制電路等。在時鐘作用下FPGA內部產生40kHz的觸發信號送給超聲波測距模塊，超聲波換能器發射超聲波，計時器開始計數（接收端為高電平），當接收到回波信號時，接收端變為低電平，計數器停止計數。同時溫度測量電路將采集的溫度數據送給查表電路進行聲速數據修正。最后將計數值和修正的聲速數據送給數據電路處理和計算出距離，并在數碼管上顯示。

3 系統測試結果與分析

為了驗證本系統的測量精度，在室溫25℃下，選用室內的墻壁做為研究對象進行了實際測量實驗。隨機抽取了5次實測結果并求出了平均值、絕對誤差和相對誤差。數據如表1所示。

4 結束語

本文采用回波檢測法和利用FPGA芯片的強大優勢設計了以FPGA為控制核心的測距系統，該系統運行速度快、抗干擾能力強，精度較高，克服了以單片機為控制核心的測距系統的不足，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的基礎上擴展即可。

[1] 李戈，孟祥杰等．國內超聲波測距研究應用現狀[J]．測繪科學，2011，36(3)：60．

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

[3] 潘松，黃繼業等．EDA技術與VerilogHDL[M]．北京：清華大學出版社，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，實驗師，主要研究方向為電路與系統設計。

綏化學院2013年科學技術研究資助項目（K1302002）