基于FPGA的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳解

超聲波測(cè)距是一種非接觸式測(cè)量技術(shù)，具有定向性好以及對(duì)色彩、光照度、外界光線和電磁場(chǎng)不敏感的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)被測(cè)物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強(qiáng)電磁干擾及有毒等惡劣的環(huán)境時(shí)，超聲波有很強(qiáng)的適應(yīng)性。因此超聲波傳感器廣泛用于工業(yè)測(cè)量、安全預(yù)警、車輛避障、自動(dòng)導(dǎo)航以及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人等相關(guān)領(lǐng)域。

目前絕大多數(shù)超聲波測(cè)距系統(tǒng)都是以單片機(jī)作為信號(hào)發(fā)生和控制器，其測(cè)量精度嚴(yán)重受限于單片機(jī)的晶振頻率（1.2 MHz~24 MHz），往往難以令人滿意。而且用單片機(jī)控制的測(cè)距系統(tǒng)需要輔助設(shè)計(jì)較多的由分立元件組成的外部模擬電路，故其抗干擾性能也相對(duì)較差。FPGA作為一種高密度可編程器件，其內(nèi)部可以集成較大規(guī)模的邏輯單元，適用于時(shí)序、組合等各種邏輯電路應(yīng)用場(chǎng)合，具有運(yùn)行速度快（100 MHz以上）、內(nèi)部資源豐富等特點(diǎn)，為開發(fā)高精確度的超聲測(cè)距系統(tǒng)提供了新的設(shè)計(jì)方案。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，有效提升了系統(tǒng)整體性能。

1 超聲波測(cè)距原理

目前，超聲波傳感器的種類有很多，一般采用壓電式超聲波傳感器。超聲波測(cè)距原理如圖1所示。超聲波信號(hào)由超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的同時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，超聲波在傳輸過程中遇到障礙物會(huì)反射回來（稱為回波），在超聲波接收探頭收到回波的同時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由速度和時(shí)間即可得到障礙物與測(cè)距裝置之間的距離：

S≈L=V×t/2（1）

其中，S為障礙物與測(cè)距裝置之間的距離，V為超聲波的傳播速度，t為計(jì)數(shù)器測(cè)得時(shí)間。

2 測(cè)距系統(tǒng)與硬件電路

本超聲波測(cè)距系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括發(fā)射模塊、接收模塊、顯示模塊、溫度補(bǔ)償模塊和FPGA設(shè)計(jì)模塊等。

CX20106A的2引腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，改變它們的數(shù)值便能改變芯片內(nèi)部前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或是減小電容C，都將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降；反之則放大倍數(shù)增大。這樣便可以調(diào)節(jié)超聲波接收探頭R的接收靈敏度。但電容的改變會(huì)影響頻率特性。

CX20106A的5引腳與電源端VCC接入一個(gè)電阻，用來設(shè)置其內(nèi)部帶通濾波器的中心頻率f0。當(dāng)R6阻值越大時(shí)，濾波器的中心頻率越低。

CX20106A的7引腳的輸出方式為集電極開路，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，沒有接收到超聲波回波信號(hào)時(shí)，該端輸出為高電平，當(dāng)有回波信號(hào)進(jìn)入時(shí)，該引腳則會(huì)跳變?yōu)榈碗娖健?/p>

3 FPGA邏輯電路設(shè)計(jì)

在測(cè)距系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)主要的功能模塊有：時(shí)序發(fā)生電路模塊、回波識(shí)別模塊、檢波模塊、可變門檻控制模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、溫度補(bǔ)償計(jì)算模塊、距離計(jì)算模塊、顯示控制模塊和一些輔助模塊。在此，F(xiàn)PGA主要完成了產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)、檢波、計(jì)時(shí)、溫度補(bǔ)償計(jì)算、距離計(jì)算和抗干擾等任務(wù)。

時(shí)序發(fā)生器是FPGA和整個(gè)系統(tǒng)按照設(shè)定的時(shí)序正常工作的基礎(chǔ)。主要為FPGA、超聲波驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)、接收使能信號(hào)和高速計(jì)數(shù)器等提供精確的時(shí)序與控制。在時(shí)序發(fā)生器的基礎(chǔ)上，通過將全局時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理，得到符合驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的方波脈沖。

檢波器接收電壓比較器的輸出信號(hào)進(jìn)行高速處理，并對(duì)回波到達(dá)時(shí)間精確鎖定，同時(shí)高速計(jì)數(shù)器會(huì)停止計(jì)數(shù)。

高速計(jì)數(shù)器主要通過記錄計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)來計(jì)算渡越時(shí)間。在驅(qū)動(dòng)超聲波信號(hào)發(fā)出時(shí)，高速計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，信號(hào)經(jīng)功率放大再由發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，遇到障礙物后返回，回波經(jīng)電壓比較器和檢波器后，由檢波器向高速計(jì)數(shù)器發(fā)出信號(hào)，高速計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。由于高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率即為驅(qū)動(dòng)超聲波信號(hào)的頻率，因此可以計(jì)算出渡越時(shí)間t=n/f，其中n為計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，f為驅(qū)動(dòng)超聲波信號(hào)的頻率。

門檻控制是指設(shè)定一個(gè)電壓門檻，在回波幅值高于此門檻的時(shí)候才有效?？勺冮T檻控制模塊主要是為了接收回波并降低干擾。障礙物的遠(yuǎn)近不同，回波的強(qiáng)度亦有所不同，所以應(yīng)當(dāng)設(shè)置可變的門檻值。當(dāng)障礙物較遠(yuǎn)時(shí)，采用低的門檻值；反之，采用較高的門檻值。絕大多數(shù)干擾信號(hào)的幅值較低，采用較高門檻就有較好的魯棒性，能有效降低外界的干擾。由于被測(cè)距離多分布于中等范圍，因此，在大部分時(shí)間內(nèi)可以采用較高門檻值，有效避開干擾信號(hào)。

依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度來區(qū)分回波和干擾，而回波識(shí)別模塊是依據(jù)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和周期個(gè)數(shù)區(qū)分回波和干擾。由于超聲波發(fā)生器振子存在余振，余振波也會(huì)成為一種干擾，但余振和一般的干擾信號(hào)至多只有1~2個(gè)周期，而真實(shí)回波持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)一般會(huì)超過10個(gè)周期。所以設(shè)計(jì)回波模塊時(shí)，如果周期超過一定數(shù)目，則認(rèn)為是真實(shí)回波，否則忽略對(duì)該信號(hào)的接收。這樣能進(jìn)一步減小干擾。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及總結(jié)

為驗(yàn)證超聲波測(cè)距模塊的測(cè)量精度，在室內(nèi)（溫度為18.6℃）進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)，其中測(cè)量距離由鋼質(zhì)卷尺多次測(cè)量求平均值所得。數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，距障礙物過近或較遠(yuǎn)時(shí)，測(cè)量精度下降。因?yàn)樘鼤r(shí)接收和發(fā)射等電路的時(shí)延影響相對(duì)變大，而且發(fā)射信號(hào)必須有一個(gè)上升時(shí)間，當(dāng)障礙物距離太近時(shí)系統(tǒng)不能及時(shí)處理回波信號(hào)［6］，所以測(cè)量誤差明顯增加。障礙物距離太遠(yuǎn)時(shí)，回波信號(hào)微弱，混有大量的噪聲，對(duì)門檻判定造成很大的挑戰(zhàn)。分析表1中數(shù)據(jù)可知，在障礙物距離測(cè)距裝置600 mm~3 600 mm時(shí)，可以達(dá)到較高精度，相對(duì)誤差范圍保持在0.3%以內(nèi)，穩(wěn)定性也較高，可以滿足絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)的需求。

表1中超聲波所測(cè)數(shù)據(jù)均大于尺測(cè)距離，而不是在尺測(cè)距離上下波動(dòng)，原因可能是某部分電路存在極小的延時(shí)，導(dǎo)致高速計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)時(shí)間比實(shí)際時(shí)間長(zhǎng)。下一步可以考慮在分析大量測(cè)試數(shù)據(jù)后，在測(cè)試結(jié)果上再在加上一定的修正量，減小電路延時(shí)引入的偏差，進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。

如需獲得更高的精度，可以提高超聲波頻率，但這是以犧牲測(cè)量范圍為代價(jià)的；同理，使用更低的超聲波頻率可使測(cè)距范圍增大，但測(cè)量精度會(huì)下降?？梢罁?jù)實(shí)際情況來選擇超聲波頻率。

總體來看，本文提出的基于FPGA的超聲波測(cè)距系統(tǒng)很好地利用了超聲波檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了FPGA的優(yōu)勢(shì)，采用多種措施來提高超聲波測(cè)距精度，具有良好的抗干擾性和穩(wěn)定性，且測(cè)量盲區(qū)小、精度高，滿足了大多數(shù)實(shí)驗(yàn)對(duì)障礙物測(cè)量的需要。若要求測(cè)量不同方向的障礙物，只需設(shè)計(jì)為多傳感系統(tǒng)即可，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。