如何使用FPGA進(jìn)行超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計

　　超聲測距作為一種非接觸測量技術(shù) ，由于其性能好，價格低廉，使用方便，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量，車輛障礙物避免，安全警告，自動導(dǎo)航和機器人領(lǐng)域等領(lǐng)域。 然而，在超聲波測距的實際應(yīng)用中有很多局限性，特別是在具體工作環(huán)境下，如何提高超聲波測距精度和量程需要進(jìn)一步研究，對于超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展具有重要的應(yīng)用意義。 目前市場上大量的超聲波測距系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)SCM作為信號發(fā)生器來產(chǎn)生驅(qū)動信號的，而成本低，但測量超聲波傳感器的通行時間的驅(qū)動精度和效率， 測量精度不能令人滿意。 作為一種高密度可編程器件，FPGA具有運行速度快，內(nèi)部資源豐富的特點，為開發(fā)高性能超聲波測距傳感器提供了新的方案。 因此，本文設(shè)計了一種基于FPGA的超聲波測距系統(tǒng)。 超聲波測距的核心是超聲波信號的收發(fā)器，本文通過分析傳統(tǒng)SCM內(nèi)部指令運行時間存在時間延遲誤差，由于其精度不能滿足精密測量設(shè)計缺陷的要求，超聲波測距硬件 系統(tǒng)在FPGA上，結(jié)合超高速設(shè)計采用FPGA軟件對全局時鐘信號進(jìn)行分頻處理，實現(xiàn)了超聲波驅(qū)動信號中心頻率的精確控制; 并采用頻率計數(shù)方式通過時間實現(xiàn)超聲波的精確測量，測量精度高。

　　科技飛速發(fā)展時至今日，超聲波測距廣泛應(yīng)用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)，交通，環(huán)保，安全，能源測量等科學(xué)領(lǐng)域，超聲波測距的測量精度，測量距離，可靠性等監(jiān)測性能指標(biāo)并控制提高系統(tǒng)的精度和可靠性，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)科技的發(fā)展非常重要。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通運輸系統(tǒng)越來越嚴(yán)重，交通安全問題越來越受到重視。近年來，大雨，霧or夜駕駛等船舶運輸頻繁發(fā)生事故常常導(dǎo)致航道知名度下降，碰撞事故減少。超聲波測距技術(shù)具有黑暗，灰塵，煙霧等惡劣環(huán)境正常工作的特點，引進(jìn)超聲波測距系統(tǒng)可以減輕運輸可行的超聲波測距系統(tǒng)，設(shè)計結(jié)構(gòu)的問題有所不同，性能差異也是不同。目前市面上主流的超聲波測距系統(tǒng)主要是以8位或16位微控制器為主要芯片，生成驅(qū)動信號，并負(fù)責(zé)接收和處理回波，控制實際通訊。這種治療成本降低，但測量精度，測量距離以及受控制能力的時間限制。超聲波測距的核心是超聲波信號的收發(fā)器，傳統(tǒng)的單片機內(nèi)部指令運行時間存在時間延遲誤差，精度不能滿足精度測量要求，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）的設(shè)計被引入超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計，利用其較高的運行速度和豐富的片內(nèi)資源，取代單片機，提高對超聲波工作頻率的控制精度以及對超聲波收發(fā)渡越時間的測量精度。

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array現(xiàn)場可編程門陣列）是近年來廣泛應(yīng)用的超大規(guī)模、超高速的可編程邏輯器件，由于其集成度高（單門數(shù)字系統(tǒng)與數(shù)千萬門）和高速（200MHz以上）相結(jié)合，在線系統(tǒng)編程的優(yōu)勢為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計帶來突破，芯片數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與自動化，完善設(shè)計周期，設(shè)計靈活性和可靠性單數(shù)字系統(tǒng)。它在超高速信號處理和實時測量和控制中具有廣泛的應(yīng)用。由于超聲波的方向性強，能量消耗緩慢，距離遠(yuǎn)離介質(zhì)，經(jīng)常用于距離測量3。主要用于逆變雷達(dá)，測距儀，液位測量，移動機器人設(shè)計，建筑施工現(xiàn)場等一些工業(yè)領(lǐng)域，如距離，水平，深度，管道長度，流量等。超聲波檢測的使用往往更多快速，方便，計算簡單，易于實現(xiàn)實時控制，測量精度可以滿足工業(yè)應(yīng)用的要求，因此已被廣泛應(yīng)用。

　　當(dāng)物體振動時發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們稱每秒鐘頻率為每秒的振動次數(shù)。我們的人耳可以聽到20?20000Hz的聲波頻率。當(dāng)聲波的振動頻率大于20000Hz或小于20Hz時，聽不到聲音。因此，我們稱頻率高于20000Hz超聲波“16J”。超聲波和聲音本質(zhì)上是一樣的，它們有一個共同的機械振動，通常在彈性介質(zhì)中是縱向的，能量是一種通訊形式，區(qū)別在于超聲波的高頻和短波長。超聲波是彈性介質(zhì)中的一種機械振蕩，傳播速度僅為光源的百分之一，垂直分辨率更高。超聲波對顏色，光強度，環(huán)境光和電磁場不敏感，分析物在黑暗，灰塵或煙霧中，超聲波強大的電磁干擾，有毒等不利環(huán)境具有很強的適應(yīng)能力。由于超聲波能量消耗較慢，中距離傳播，聲速在一個較大的范圍內(nèi)，與頻率無關(guān)，超聲波的獨特優(yōu)點被認(rèn)為是軍工，行業(yè)，交通中的測距技術(shù)的良好選擇，數(shù)字電子設(shè)備的三種基本類型是存儲器，微處理器和邏輯器件。邏輯器件提供接口，數(shù)據(jù)通信，信號處理，數(shù)據(jù)顯示，定時和控制操作以及系統(tǒng)操作等各種功能。它可以分為兩類：固定邏輯器件和可編程邏輯器件。固定邏輯器件中的電路是永久性的，用于執(zhí)行一個或多個功能?？删幊踢壿嬈骷梢噪S時在這些器件上進(jìn)行修改，以完成各種不同的功能。

　　可編程邏輯器件英文全稱為：programmable logic device即PLD。PLD作為通用集成電路生成，其邏輯功能根據(jù)用戶的設(shè)備編程確定。兩種主要類型是：現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD），這兩種類型的可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)不同。大多數(shù)CPLD都是基于產(chǎn)品術(shù)語的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA是基于查找表的結(jié)構(gòu)，所以FPGA更適合于觸發(fā)器的豐富結(jié)構(gòu)，而CPLD更適合于結(jié)構(gòu)化觸發(fā)器的有限和乘積。與固定邏輯器件相比，可編程邏輯器件的優(yōu)點包括以下幾個方面：

　　1.在設(shè)計過程中為可編程邏輯器件提供更大的靈活性，重復(fù)設(shè)計只需改變編程文件即可更改，并可立即在設(shè)備工作中看到設(shè)計結(jié)果。

　　2.不需要很長的交付時間來創(chuàng)建原型或正式產(chǎn)品，因為可編程邏輯器件在市場上非?；钴S，易于購買。

　　3.不需要客戶支付一次性工程成本高（非經(jīng)常性工程，NRE）和購買昂貴的面罩組，因為在相同的芯片中重復(fù)編程，實現(xiàn)不同的功能，因此可以延長產(chǎn)品的生命周期，以分?jǐn)偦ㄙM在芯片上花費的成本。

　　4.允許客戶在必要時訂購所需數(shù)量，以便客戶控制庫存。

　　5.可以用可編程邏輯器件進(jìn)行重新編程，為設(shè)備和升級添加新功能，只需將新的編程文件下載到可編程邏輯器件，就可以在硬件邏輯中創(chuàng)建一個新的系統(tǒng)。

　　6.個知識產(chǎn)權(quán)（IP）核心圖書館的支持越來越多。用戶可以使用這些預(yù)定義和預(yù)先測試的軟件模塊來快速實現(xiàn)可編程邏輯器件中的系統(tǒng)功能。

　　人們可以聽到聲音頻率為20Hz?20kHz，超出了聲音的聲音范圍，語音，20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，聲音超過20kHz，稱為超聲波，說頻率范圍為100Hz?8kHz。

　　可編程邏輯器件的價值在于其能夠大大縮短電子產(chǎn)品制造商的開發(fā)周期，節(jié)

　　約開發(fā)成本，隨著可編程邏輯器件集成度的提高，成本的降低，更多口核的面市，可編程邏輯器件一定會在數(shù)字設(shè)計領(lǐng)域進(jìn)一步普及。用硬件語言編程，沒有指令控制系統(tǒng)，控制能力較弱。但具有很強的時序控制能力和邏輯組合能力，對于通信接口特別是高速接口可以將不同速率不同協(xié)議的耦合和橋接。運行速率約為幾百兆赫茲，采用外部晶振的頻率可超過100MHz。整個系統(tǒng)的核心部分是超聲波的收發(fā)控制端和信號處理部分，正是出于這種考慮現(xiàn)在主流的設(shè)計是采用單片機做為主控芯片負(fù)責(zé)產(chǎn)生超聲波驅(qū)動信號并對回波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制現(xiàn)實輸出119之0。定超聲波驅(qū)動信號的效果。同時對于會波信號的處理，和整個超聲波測距總計時，超聲波周期的精確時間是一個重要的參數(shù)。對于驅(qū)動信號頻率的嚴(yán)格控制，總計時的時間控制，是系統(tǒng)高性能保障重要條件.FPGA是在CPLD的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型高性能可編程邏輯器件，它一般采用SRAM工藝，也有一些專用器件采用flash工藝或反熔絲（Anti．Fuse）工藝等。FPGA的集成度很高，其器件密度從數(shù)萬系統(tǒng)門到千萬系統(tǒng)門不等，可以完成及其復(fù)雜的時序與組合邏輯電路功能，適用于高速，高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計領(lǐng)域。FPGA的基本組成部分有可編程輸入／輸出單元，基本可編程邏輯單元，嵌入式塊RAM，豐富的布線資源，底層嵌入功能單元，內(nèi)嵌專用硬核等。

　　人們可以聽到的聲音頻率為20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，聲音超過20kHz，稱為超聲波，說頻率范圍為100Hz?8kHz。

　　超聲波傳輸線頻率越高，衍射能力越弱，反射超聲波性能越強，可用于制造超聲波傳感器5。此外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，約為340m/s，這使得超聲波傳感器的使用變得非常簡單。

　　超聲波傳感器設(shè)置有發(fā)射器和接收器，但也可以使用超聲波傳感器來發(fā)送和接收聲波。超聲波傳感器一般市場上銷售一種特殊類型和兩用型，特殊類型用于傳輸超聲波發(fā)射器，接收器用于接收超聲波發(fā)射器和接收器;并且是集成傳感器，可以發(fā)送和接收超聲波超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率（中心頻率）為23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。諧振頻率越高，檢測距離越短，分辨率越高。

　　超聲波傳感器是基于壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)具有逆效應(yīng)，超聲波傳感器的作用是可逆元件，超聲波發(fā)射器采用壓電反效應(yīng)原理。所謂的反壓電效應(yīng)，如圖1-1所示，是施加在壓電元件上的電壓，元件變形，即應(yīng)變。如果壓電陶瓷的極化電壓極性如圖1-2所示，則外部正電荷極化和壓電陶瓷正電荷排斥，同時，外極化負(fù)電荷和負(fù)電荷排斥。由于壓電陶瓷的排斥效應(yīng)在厚度方向上縮短，長度方向的伸長率。如果外部極性的極性反轉(zhuǎn)，壓電陶瓷在厚度方向上延伸并沿長度方向縮短。

　　超聲波傳感器采用雙晶振蕩器，即兩個壓電陶瓷片沿相反的極化方向粘合在一起。在雙晶振子的兩面上涂敷薄膜電極，該雙電晶振子通過金屬板（振動板）通過引線與電極端連接。雙晶振子是正方形的，方形的左右兩側(cè)由弧形凸部支撐。這兩個樞軸成為振動振動的節(jié)點。金屬板的中心具有錐形振動器。發(fā)送超聲波，錐形振蕩器具有較強的方向性，可有效發(fā)送超聲波;在振動器中心接收超聲波，超聲波振動，因此高頻電壓產(chǎn)生高效率。

　　超聲波傳感器采用雙晶振蕩器，如果在雙晶振子發(fā)射器（諧振頻率40kHz）的高頻電壓下施加40kHz，壓電陶瓷在高頻電壓下的極性伸長和縮短，并可以發(fā)送40kHz的超聲波頻率。超聲波以密集波的形式傳輸并傳輸?shù)匠暡ń邮掌鳌３暡ń邮諜C是壓電效應(yīng)的原理，也就是在壓電元件的特定方向施加壓力，發(fā)生元件應(yīng)變，導(dǎo)致正極側(cè)，另一側(cè)為負(fù)電壓。如果接收到的超聲波發(fā)射機，振蕩器發(fā)射超聲頻率振動，從而產(chǎn)生高頻電壓和超聲波頻率，當(dāng)然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。