基于FPGA的超声波测距系统_孔明

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式中： s（ n） 为超声波信号； u（ n） 为噪声信号； n 为序列序号。 则 x（ n） 和 y（ n） 互相关表达式［1］为：
R^ xy （ k） = E［y（ n + k） x（ n） ］ = E［s（ n + k） s（ n） + s（ n + k） u（ n） +
s（ n） u（ n + k） + u（ n） u（ n + k） ］
试验时在 2． 5 m 量程范围内，每隔 400 mm 进行 1 次测量， 每次测量 10 次。计算了测量距离与实际距离的绝对误差以及 10 组数据的标准差。表 1 是用互相关法和峰值法测得的数据 和误差分析。分析数据表 1 可知： 较峰值法，互相关法测距精 度较高，在 2． 5 m 量程范围内误差不超过 7 mm； 随测量距离的 增大，峰值法和互 相 关 法 的 误 差 依 次 增 大，标 准 差 也 有 随 距 离 增大而增大的趋势。互相关法在峰值附近有振荡特性，在互相 关函数峰值附近会有若干接近峰值的值存在，这是会导致传输 时间的估计错误； 峰值法由于峰值位置的提前和推后出现也会 导致测量误差。两种方法从标准差来看，互相关法的标准差较 小，稳定也较好，可较好地抑制干扰。
图 5 峰值测距 FPGA 顶层模块图
3． 2． 2 互相关法测距模块
据，若小于或等于阈值电压则置为 0。为验证处理后的互相关
若直接利用采集的模拟量进行互相关运算，会用到多位的 数据与直接互相关运算的差别，用 MatLAB 对 3 种方法进行了
乘法和加法，运算量较大，且因为超声波回波信号是在一定值 仿真。结果如图 6 所示。
压（ 2． 7 V） ； 二是设置同样的阈值，若大于阈值电压则为原数 总数据长度为4 096个。
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Instrument Technique and Sensor
Jun. 2013
图 6 3 种方法互相关 MATLAB 仿真图
由图 6 可知，3 组数据均在 3． 045 ms 时得到最大互相关系 数，分别为0． 975，0． 6019，0． 58。因此用直接相关法和处理数
1 超声测距原理及渡越时间测量 超声波测距原理为： 当发射器发出超声波时开始计时，接
收器接收到超声波时停止计时，若超声波传输的时间为 t，则发 射器与接收器之间的距离为
L = ct 式中 c 为波速。
渡越时间的测量采用峰值法和互相关法。 1． 1 峰值法测距算法分析
峰值法测距的关键在于确定测量时间的起点和终点。FPGA 可以精确地控制激励脉冲的起点位置，由于回波信号的前 沿信号微弱，不利于检测，故选择回波信号峰值（ 特征波） 到达 时间作为终止时间。在检测时起点为发射连续脉冲的最后一 个脉冲的中点位置，终点是接收到的信号的峰值点。如图 1 所 示。
2013 年 第6 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2013 No. 6
基于 FPGA 的超声波测距系统
孔 明，侯 蕊，赵 军
（ 中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州 310018）
摘要： 开发了一套基于 FPGA 的超声波测距系统，利用 FPGA 的工作特性，设计了流水线结构的互相关法测距模块，
图 7 互相关测距顶层模块图
第6 期
孔明等： 基于 FPGA 的超声波测距系统
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表 1 不同距离测距结果及误差分析
mm
实际距离
400 800 1 200 1 600 2 000 2 400
互相关法
测距 404． 34 803． 34 1 202． 55 1 603． 3 2 004． 93 2 406． 42
附近上下变动的，这 就 会 导 致 计 算 出 来 的 峰 值 不 明 显，产 生 时
仿真数据来自于串口采集的数据。互相关的结果与所选
间的误判。因此，首先将数据进行处理再进行互相关。
的样本数有直接 关 系，过 少 会 导 致 结 果 不 精 确，过 多 又 会 加 大
对数据进行 2 种处理： 一是将每次采集的数据减去阈值电 运算量，结合 FPGA 本身的配置，取样本长度为 256 个，仿真时
超声波传感器选用中心频率为 69 kHz 的换能器。由 FPGA 分频产生 69 kHz 的方波，经高频脉冲变压器变压后升压为 200 V 左右的脉冲，激励换能器振动。超声波发射电路如图 3 所示。
图 3 超声波发射电路
接收电路主要是对信号进行放大和滤波。接收机接收到 的幅值在几 mV 左右，在此设计了两级无限增益多路反馈型带 通滤波电路［2］，放大倍数为1 000 倍，带宽为 11． 8 kHz，电路不 存在正反馈，稳定性高。超声波接收电路如图 4 所示。
（ 1）
设信号与噪声不相关，则有：
R^ xy （ k）
= E［s（ n） s（ n + k） ） ］=
1 N
N －1
∑ y（
n =0
n
+
k）
x（
n）
（ 2）
式中： N 表示进行互相关的序列的长度； k 为延时序号，k = 1，2，
3……； R^ xy （ k） 为互相关函数。 发射时计数器开始计数，当 R^ xy （ k） 取最大值时，即得渡越
和采集。FPGA 模块包括峰值法测距模块、互相关法测距模块、
温度补偿模块和串口通讯模块。主要功能是进行硬件系统的
控制、数据的采集、存储和处理。
第6 期
孔明等： 基于 FPGA 的超声波测距系统
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图 2 测距系统整体设计图
3 测距系统的硬件和软件设计 3． 1 硬件电路设计
硬件电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、A / D 转 换电路以及温度补偿电路。
据后的相关法求得的渡越时间是相同的。因图 6（ b） 、图 6（ c） 的峰值更易判别，第 三 种 方 法 不 涉 及 负 数 的 运 算，故 在 此 采 用 第三种数据预方法互相关求渡越时间。
互相关运算时，首先读出 ROM 中的标准数据到寄存器 b， 然后将预处理后的数据缓存在寄存器 a 中，按字节将 a 和 b 相 乘，再将相乘的结果相加，256 组数相加的结果即为此次互相关 结果。乘法运算复杂且占用逻辑单元较多，故采用移位相加的 方法代替乘法运算。A / D 采样频率是 1 MHz，因此在 1 μs 之内 必须将 2 组 256 个 8 位数据进行互相关运算。若直接进行相乘 相加运算需要耗费 257 个时钟即 12． 85 μs，不能满足系统的要 求。所以在自相加时采用流水线设计思想： 先将相乘后的数据 两两分组，相加，得 到 数 据 后 再 分 组 进 行 相 加，依 次 类 推，直 到 得到最终结果。
中图分类号： TP274
文献标识码： A
文章编号： 1002 － 1841（ 2013） 06 － 0086 － 04
Ultrasonic Ranging System Based on FPGA
KONG Ming，HOU Rui，ZHAO Jun （ College of Metrological Technology and Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）
图 4 超声波接收电路
A / D 芯片采用 MAX118，采样频率为 1 MHz． 它具有转换速 度快、功耗低、精度高特点［3］。采集时选择 MODE1 模式，FPGA 根据时序图控制 A /D． 参考电平选用外部参考电平。
为保证测距精度，设计了温度补偿电路。采用 DS18B20 温 度传感器。测温范围是 － 55 ～ + 125 ℃ ，分辨率是 ± 0． 5 ℃ ． 与 FPGA 连接时，只要 DQ 引脚连接到一条 I / O 线上，再加上拉电 阻即可。测温模块采用单独供电模式。 3． 2 FPGA 模块设计 3． 2． 1 峰值法测距模块设计
Abstract： This paper designed an ultrasonic ranging system based on FPGA． Taking advantage of the rich resources of FPGA， it designed the cross-correlation ranging module with pipeline structure，and realized real-time acquisition and processing of ultrasonic signal and transmission time． To analyze the influences of the distance and the relative angle between the receiver and the transmitter on ranging accuracy and compare two methods’advantages，two groups of experiments were accomplished． The experimental results show that both the range error and standard deviation increase along with the increase of distance and relative angle； cross-correlation method has higher precision and better anti-interference capability compared with peak method． Key words： ultrasonic ranging； FPGA； pipeline design； peak method； cross-correlation method
实现了超声波信号和传输时间的实时快速采集与处理。试验分析了不同测量距离和不同测量角度情况下的测距精度，并
与普通峰值法测量结果对比，结果表明： 随距离和角度的增大，测距误差增大，标准差增大； 互相关法相比峰值法，检测精
度更高，抗干扰能力更强。
关键词： 超声波测距； FPGA； 流水线设计； 峰值法； 互相关法
图 7 是互相关测距模块的 FPGA 顶层模块图。包括标准互 相关数据存储模块 rom； 为读 rom 时提供地址的地址发生器模 块 rom_address_control； A / D 采集模块 data_acqusiation； 数据更 新模块 update_rega； 互相关运算模块 corr，以及计时模块 count_ r． 4 试验数据及误差分析 4． 1 不同距离测量结果及误差分析
由峰值测距算法分析可知，FPGA 通过比较每次 A / D 转换 后的数字量以确定峰值点，将每次比较后的最大值以及对应的 时间进行缓存，在检测结束后即可得到峰值大小以及本次所测 的渡越时间。
图 5 是峰值法测距的 FPGA 顶层模块图。transmit 模块用 于发射 5 个 69 kHz 的脉冲，用于激励超声波换能器振动。时钟 分频模块 clock_devision 为 A / D 采集模块 data_aqusiation 提供 分频后的时钟，并且提供全局时钟。计时模块 count_f 在每次 采集时将采集值与最大值缓存 temp 比较，若采集值大于 temp， 则将 temp 赋值更新，并记录此时的时间。在 15 ms 后，temp 中 所存值即为峰值。num_maxp 即为此次超声波所传输的时间。
图 1 峰值法计时时间起点与终点图
1． 2 互相关法测距算法分析 互相关法测渡越时间的原理为：
收稿日期： 2012 － 06 － 20 收修改稿日期： 2013 － 02 － 25
设 x（ n） 和 y（ n） 分别是发射端和接收端的离散时间信号：
x（ n） = s（ n） + u（ n）
y（ n + k） = s（ n + k） + u（ n + k）
时间 t．
2 系统总体方案设计
采用收发超声换能器分离的方式进行测距。测距系统主
要由外围电路和 FPGA 模块以及 PC 机组成。测距系统整体设
计图如图 2 所示。
外围电路包括超声波发射电路，超声波接收电路，A / D 转
换电路以及温度 补 偿 电 路 等，主 要 进 行 超 声 波 波 的 发 射、接 收