基于FPGA的高精度测距系统设计
摘 要随着的发展人们的生活质量越来越高，许多事物都追求方便、高效，测距在计算机、机器人等工业化的发展中都应用广泛。因为超声波是一种纵向机械波所以是直线传播并且符合反射和折射的特性。超声波传感器结构简单、体积小、经济并且方便集成化。利用超声波以一定速度定向传播等特性设计的超声波测距主要应用在建筑施工现场测量、倒车提醒等防撞系统、移动机器人定位等。超声波测距具有可靠性、精度可控、应用广、高效等优点。FPGA是现场可编程门阵列，I/O口多、能够并行运算、集成度高。常用的门电路或者是复杂组合逻辑电路都能用简单的程序实现。利用FPGA能简便控制时序的特点本文对超声波的特性设计了基于FPGA的测距系统,通过FPGA中的全局的时钟分频信号处理对超声波信号的收发有准确的控制。在一定的工作环境下，通过测量超声波往返时间已知超声波的传播速度就能计算出来与目标物的距离。关键词：超声波测距；FPGA；分频AbstractWith the development of people's quality of life is getting higher and higher, many things are pursuing convenience and efficiency, ranging is widely used in the development of computer, robot and other industrialization. Because ultrasound is a longitudinal mechanical wave, it propagates in a straight line and conforms to the characteristics of reflection and refraction. The ultrasonic sensor is simple in structure, small in size, economical and easy to integrate. Ultrasound ranging, which is designed with the characteristics of directional propagation of ultrasound at a certain speed, is mainly used in anti-collision systems such as building construction site measurement, reverse warning, mobile robot positioning and so on. Ultrasound ranging has the advantages of reliability, controllable accuracy, wide application and high efficiency.FPGA is a field programmable gate array with many I/O ports, parallel operation and high integration., parallel computing, and high integration. Commonly used gate circuits or complex combinational logic circuits can be implemented with simple programs.This paper designs a distance measurement system based on FPGA, which can control the time sequence conveniently by using the characteristics of FPGA. It can control the sending and receiving of the ultrasonic signal accurately through the global clock frequency division signal processing in the FPGA., the distance from the target can be calculated by measuring the time of ultrasonic round trip and the speed of ultrasonic propagation.Keywords: Ultrasonic ranging, FPGA，Frequency division目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1研究目的与意义11.2国内外研究现状11.2.1 无损检测技术11.2.2 定位和避障21.2.3回波处理方法21.2.3超声波发射脉冲3第2章 超声波原理和超声波传感器32.1超声波原理32.2超声波传感器5第3章 FPGA系统设计73.1 FPGA简介73.2 FPGA工作原理和特点8第4章 VHDL软件系统设计84.1驱动超声波模块94.2 分频94.3 七段数码管显示104.4 超声波测距结果12第5章 总结与展望135.1 总结135.2 展望13致 谢15浙江理工大学本科毕业设计 (论文)第1章 绪论1.1研究目的与意义科技的发展使得我们的生活智能化自动化工业水平也逐渐提高,也有越来的越多需要用到测距的地方。电子测量的技术也越来越多样越来越精确，非接触测距系统在当代以及被应用到各个领域当中，非接触测距是不与目标物表面接触的情况下，用电磁或者光电进行测量距离的一种方法。与传统的测量方式相比操作更加方便、测量的距离范围越大、安全系数越高、测量的数据更加准确。利用超声波测距的技术在作业的过程中不会产生物理接触。而且现在生产力不断提高，超声波传感器不需要花费太多的成本即可购得，这也导致了其在各个工业方面需求也越来越大，例如建造房屋桥梁和道路、测绘地形图、开挖矿山、交通等方面的防撞装置以及机械内部的检测。本次研究主要是利用超声波在一定环境下直线传播超声波还具有不受光、电磁波以及粉尘干扰的特性，它的传播方式是直线式的，同时其传播所需要耗费的能量极少，因为能够传播的距离也比较长，通常来说其对物体不存在太大影响或是损害。而且超声波测距的计算处理比较简单迅速，系统设计比较实用，传感器价格低廉，能够实时控制。因此超声波测距是个很好的选择。1.2国内外研究现状对超声波的研究有足够关注是源于1912年游艇碰撞冰山沉没后造成了巨大的损失，为此科学家提出为了预测冰山进行的研究。近年超声波的研究也越来越深入。我国对超声波的研究大约是在1956年，并深入了各个领域有部分项目的水平能达到国际标准。国内外的科研人员对超声波测距系统进行了研究，一方面是对提高超声波测距的精度对回波的算法和温度影响的误差的研究另一方面是对超声波传感器的研究，还有超声波发射的脉冲的种类。使系统计算更加快速简单、测量结果更加精确范围越大等等都是科研人员一直研究的方向。1.2.1 无损检测技术超声波因为其在传播过程中没有物理接触，因此被开发用来进行无损检测，这种检测方式拥有极佳的便利性，因为这种便利性也导致极大的经济效益。应用在国防、宇航、原子能产品中能能够使产品增值。德国的奔驰公司和日本的小汽车生产在经过无损检测后的质量都有很大的提升，这种新型的检测技术现在已经逐渐在全球范围内开始普及。对于提高产品质量、对产品的加工制造，检验成品和设备寿命等方面，美国前总统里根曾表明：“若是在美国过去的发展进程当中少了这样优秀的检测手段，那么现在在全球范围各个领域内就不会处于领头羊的地位”。德国的科学家也将无损检测技术当做了机械产业的支柱之一。每年国内外都会出版大量无损检测的书籍、文献，其中超声波检测占据大部分。在信息化为主流的时代仍需要计算机控制的产品也要通过对产品实时的监控和定位都需要这项技术，这说明超声波检测技术在当前的机械化制造中还是未来的数字化、智能化的信息时代都有研究热点。1.2.2 定位和避障在军事上无人机是一个非常依赖测距技术反馈的信息保障飞行的顺利或是对目标物信息的掌握。测距为避障的基础，有很多测距的技术包括无线射频、超声波、红外线以及激光雷达等。因为这些技术不同的特性和成本的差异也决定了它应用在不同的部分。其中MB1043为超声波避障传感器，因为超声波测距技术比较成熟，但它的测距距离比较短，而且对目标物的反射面有一定的要求所以在无人机中超声波测距主要应用在测量无人机与地面的距离。生活中超声波测距广泛的应用到汽车的倒车雷达上。以及出现的ACC自适应巡航系统，这种智能化的控制系统这两年国内外研究无人驾驶汽车的热点。个系统相比传统定位，它能及时反馈前车及周围车距并及时调整。1.2.3回波处理方法回波处理方法决定了测量回波的定位从而影响了测距的精度。超声波回波的处理方法也在不断的完善当中。国内学者童峰曾经在其研究成果中提出过一种能够在一定程度上将换能器的理论上和实际上相差的频率特性大致估算出来的算法，其名为最小军方自适应时延算法，通过此种算法能够排除在信号输出的过程由于信道所产生的干扰。国内学者杨一春等人也曾经以调频变换和相关峰细化等原理为基础提出过一种能够快速而精准的估测时延的算法。此种算法若是能够被应用的话，则必定能够大大的降低时延误差。程晓畅等提出这季节提取相关函数保罗和保罗峰细化的算法，关于超声波换能器的特性对M序列参数进行改进。还提出及与FFT的伪随机码包络相关快速时延的算法。这些算法与之前的相比减少了很多的计算量。国内学者对回波信号的处理进行了诸多研究且都有了各自不同的研究成果，这些不断完善的理论以及技术使得测距技术越发的精准，越发的可靠。1.2.3超声波发射脉冲理论上来讲使用单脉冲的超声波来进行测距是完全没有任何问题的，但是一个脉冲的时间太短会随时间消耗使得测量的距离降低，根据超声波的特性降低频率时可以增加测量的范围同时测量的精度降低。为了解决这个问题程晓畅提出超声波信号发射为选用伪随机二进制序列，回波处理后获得窄脉冲。杜晓提出用两种超声波同时测距的双频超声测距方法，也能获得窄脉冲。选择合理的超声波发射脉冲对超声波测距系统的测量范围和测量误差上都有显著的效果，但以上的方法还不能解决测量高精度的问题。研究内容与论文结构第1章的主要内容是对进行这项研究的目的以及这项研究具备的现实意义进行详细的介绍，除此之外还有国内外在此项技术上所应用的一些改进的操作以及他们提出的完善理论。第2章叙述了此项技术的实现所依赖的原理当前所使用的超声传感器的内部结构。第3章对FPGA实现的理论基础以及其内部结构进行了详实的叙述。第4章的主要内容是VHDL在测距中的使用。第5章是总结性的章节，最前文中所探讨的内容进行了总结，对技术未来的发展前景进行了展望。第2章 超声波原理和超声波传感器这里主要探究的是超声波作为一种波在传播的过程中所具备的各种特征，以及在测距技术中所进行应用应该遵循的原理。2.1超声波原理声音是由机械振动产生的，并通过介质传递能量。超声波是一种物体振动时产生的声波单位是HZ。声波频率在20HZ到20000HZ之间是我们能够听到的范围，当声波范围在大于20000HZ时就可以叫这种人们听不见的波叫超声波。超声波这种机械波在传播的时候需要依赖介质，介质可以使三种状态的任何一种物质，其传播速度会受到介质密实程度的影响，在没有介质存在的真空中，其传播速度
