基于FPGA的超声波测距系统设计详解

基于FPGA的高精度超声波测距系统的设计汪才杰;张大名;张米露【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2012(031)017【摘要】This paper designes an FPGA-based high-precision ultrasonic ranging module. For chip timing and signal processing, the Cyclone II series EP2C5T144C8 is used to design logic circuit module such as timing generator, high-speed counting, echo identification, variable threshold control, which can process signal quickly and orderly. In the speed of sound, it adds temperature compensation module to avoid the bias values which are introduced by the use of the fixed velocity, thereby improvingthe system accuracy. The system has high reliability, high integration and fast response characteristics. Experiments show that the relative error is less than 0.3% away from the obstacle 600 mm to 3 600 ram, the measurement accuracy is greatly improved.%设计了一种基于FPGA的超声波测距模块。

基于FPGA的超声波测距系统设计详解超声波测距是一种非接触式测量技术，具有定向性好以及对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感的优点，当被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰及有毒等恶劣的环境时，超声波有很强的适应性。

因此超声波传感器广泛用于工业测量、安全预警、车辆避障、自动导航以及现场机器人等相关领域。

目前绝大多数超声波测距系统都是以单片机作为信号发生和控制器，其测量精度严重受限于单片机的晶振频率（1.2 MHz~24 MHz），往往难以令人满意。

而且用单片机控制的测距系统需要辅助设计较多的由分立元件组成的外部模拟电路，故其抗干扰性能也相对较差。

FPGA作为一种高密度可编程器件，其内部可以集成较大规模的逻辑单元，适用于时序、组合等各种逻辑电路应用场合，具有运行速度快（100 MHz以上）、内部资源丰富等特点，为开发高精确度的超声测距系统提供了新的设计方案。

为此，本文设计了一种基于FPGA的超声波测距系统，有效提升了系统整体性能。

1 超声波测距原理目前，超声波传感器的种类有很多，一般采用压电式超声波传感器。

超声波测距原理如图1所示。

超声波信号由超声波发射探头发出的同时，计数器开始计数，超声波在传输过程中遇到障碍物会反射回来（称为回波），在超声波接收探头收到回波的同时，计数器停止计数。

由速度和时间即可得到障碍物与测距装置之间的距离：S≈L=V×t/2（1）其中，S为障碍物与测距装置之间的距离，V为超声波的传播速度，t为计数器测得时间。

2 测距系统与硬件电路本超声波测距系统整体结构如图2所示，包括发射模块、接收模块、显示模块、温度补偿模块和FPGA设计模块等。

CX20106A的2引脚与GND之间连接RC串联网络，改变它们的数值便能改变芯片内部前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R或是减小电容C，都将使负反馈量增大，放大倍数下降；反之则放大倍数增大。

这样便可以调节超声波接收探头R的接收灵敏度。