FPGA夏令营作品-超声波测距

基于FPGA的超声波测距系统开发流程可分为以下五个阶段，每个阶段包含关键开发步骤和技术要点：

一、需求分析与系统架构设计

1. 功能定义

• 核心功能：超声波测距（2cm-5m）、实时数值显示、LED距离区间指示、蜂鸣器报警
• 性能指标：±1cm精度、50ms更新速率、多级LED亮度控制

2. 硬件架构规划

• FPGA选型：需至少4个IO引脚（触发、回波、蜂鸣器、LED控制）
• 外设接口：数码管驱动电路（动态扫描）、超声波模块（HC-SR04）、报警蜂鸣器（有源型）

3. 时钟域划分

• 主时钟：50MHz系统时钟
• 分频需求：超声波触发时序（μs级）、数码管扫描（kHz级）、报警音调（Hz级）

二、超声波测距模块开发

1. 硬件连接设计

• 触发信号：FPGA输出5V脉冲（需电平转换电路）
• 回波信号：施密特触发器整形后接入FPGA，消除信号抖动

2. 时序控制逻辑

• 触发阶段：每20ms生成50μs高电平脉冲
• 测量阶段：精确计量回波高电平持续时间
• 计算模型：距离=（高电平时间×声速）/2，声速按340m/s计算

3. 抗干扰处理

• 添加数字滤波器：连续3次有效测量取平均值
• 异常值剔除：设置50cm最大有效距离阈值

三、人机交互模块开发

1. 数码管显示系统

• 动态扫描机制：三位数码管以1kHz频率轮询点亮
• 数据转换模块：二进制转BCD码，支持0-999cm显示
• 消隐处理：测量更新时关闭显示防止闪烁

2. LED距离指示

• 区间划分：4级距离指示（如0-20cm亮1灯，20-40cm亮2灯）
• 亮度控制：PWM调光（500Hz频率，占空比随距离渐变）

3. 蜂鸣器报警

• 触发逻辑：当距离<10cm时启动报警
• 报警模式：距离临界时持续蜂鸣，接近临界时间歇鸣响

四、系统集成与调试

1. 模块协同设计

• 数据流控制：测距模块→显示更新→LED/PWM生成→报警判断
• 时序对齐：确保显示刷新率与测量速率同步

2. 分阶段验证流程

• 单元测试：单独验证触发信号波形、回波计时精度
• 集成测试：观测数码管显示与实物距离的对应关系
• 压力测试：模拟快速移动目标检测系统响应速度

3. 调试工具应用

• 虚拟示波器：通过SignalTap II观测内部信号时序
• 物理测量：使用数字示波器验证实际触发脉冲宽度

五、系统优化与扩展

1. 性能提升措施

• 温度补偿：集成DS18B20传感器动态修正声速值
• 多模式切换：通过拨码开关选择显示单位（cm/inch）
• 低功耗设计：空闲时关闭未使用模块时钟

2. 可靠性增强

• 添加看门狗电路：防止程序跑飞
• EMC防护：信号线添加磁珠滤波
• 异常恢复：检测到连续5次异常自动复位

3. 生产测试方案

• 标定流程：在标准距离点（如50cm）进行系统校准
• 自动化测试：通过UART接口批量读取测距数据

典型开发问题解决方案

1. 回波信号抖动

• 解决方案：硬件端增加RC滤波电路，软件端添加边沿检测窗口

2. LED显示频闪

• 处理方法：提高扫描频率至800Hz以上，优化PWM占空比

3. 蜂鸣器误触发

• 应对措施：设置10cm以下距离需持续检测3个周期才触发报警

4. 长距离测量不稳定

• 改进方案：在400cm以上距离启用脉冲压缩技术

开发过程中建议采用迭代开发模式，每个功能模块完成后立即进行联合调试，推荐使用ModelSim进行前期仿真验证。最终系统需通过高低温测试（-10℃~+60℃）、振动测试等环境可靠性验证。