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环境
硬件 DE2-115 HC-SR04超声波传感器
软件 Quartus 18.1
目标结果
使用DE2-115开发板驱动HC-SR04模块,并将所测得数据显示到开发板上的数码管。
模拟倒车雷达,集成蜂鸣器,led和vga提示功能
1s一响
;小于10cm,0.5s一响
;全亮提示
;警告warning 图片
小tips:
VSCODE插件安装一波
HC-SR04超声波距离传感器的核心是两个超声波传感器。一个用作发射器,将电信号转换为40 KHz超声波脉冲。接收器监听发射的脉冲。如果接收到它们,它将产生一个输出脉冲,其宽度可用于确定脉冲传播的距离。就是如此简单!该传感器体积小,易于在任何机器人项目中使用,并提供2厘米至400厘米(约1英寸至13英尺)之间出色的非接触范围检测,精度为3mm。
VCC 是HC-SR04超声波距离传感器的电源
Trig 引脚用于触发超声波脉冲
Echo 回声当接收到反射信号时,引脚产生一个脉冲。脉冲的长度与检测发射信号所需的时间成正比
GND 用于接地
当持续时间至少为10 µS(10微秒)的脉冲施加到触发引脚时,一切就开始了。响应于此,传感器以40 KHz发射八个脉冲的声音脉冲。这种8脉冲模式使设备的“超声特征”变得独一无二,从而使接收器能够将发射模式与环境超声噪声区分开。八个超声波脉冲通过空气传播,远离发射器。同时,回声引脚变为高电平,开始形成回声信号的开始。如果这些脉冲没有被反射回来,则回波信号将在38毫秒后超时并返回低电平。因此38 ms的脉冲表示在传感器范围内没有阻塞。
如果这些脉冲被反射回去,则在收到信号后,Echo引脚就会变低。这会产生一个脉冲,其宽度在150 µS至25 mS之间变化,具体取决于接收信号所花费时间。
HC-SR04的时序图如下:
通过时序图我们可以知道,我们给HC-SR04发送长达 10us 的TTL脉冲,然后模块就会进行测距,测距的结果通过回响信号传达,回响的TTL电平信号时间即是超声波从HC-SR04模块发出,触碰到障碍物后返回到HC-SR04模块的时间总和。
TTL是逻辑电平标准,当电压达到2.4V-5V之间,那么为逻辑1(高电平),电压在0V~0.4V之间,那么为逻辑0(低电平)。所以我们可以直接通过GPIO口来输出以及输入时序所需的电平信号。
然后,将接收到的脉冲的宽度用于计算到反射物体的距离
。这可以通过我们在初中学到的简单的距离-速度-时间方程来解决。
距离=速度x时间
,当然温度,以及环境噪声等对实验结果都有影响,因此公式应在不同环境下进行修改
总所周知,声音的速度为340m/s,因此我们将回响电平的时间除340再除2之后得到的就是单位为米的测距结果。
编写思路:
以上时序图表明我们只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号,该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。
回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式:uS/58=厘米或者uS/148=英寸;或是:距离=高电平时间*声速(340M/S)/2:建议测量周期为60ms以上,以防止发射信号对回响信号的影响。
结合说明书我们可以知道,我们仅需提供10us的高电平给Trig口即可。然后HC-SR04在测量完毕之后会将结果通过Echo回响回来。
所以我们只需要将Trig口拉高,等待10us(最好再延长一些,代码中用的是15us)后再拉低即可。
接着就只需要等待Echo将数据传输回来,通过时序图我们可以得知回响信号是拉高Echo口,再拉低,中间持续的时间就是测距的结果。
所以我们给Echo口配置一个中断事件,设置为上跳变下跳变都触发,另外再用一个变量记录Echo口到底是拉高还是拉低即可。
如果是拉高,那么我们需要记录下持续的时间,这时候我们需要用定时器计时,所以需要在一开始的时候就配置好定时器的初始化。唯一的问题就是该如何配置定时器的预分频器和自动重装器了。
根据说明书我们可以知道HC-SR04的精度为3mm,而测距的公式为 us/58-cm,稍加计算可知,如果我们需要测量3mm,那么得到的时间为17.4us,以此为一个刻度,那么定时器的频率应该为57471Hz。然而这样太麻烦了,而且也不好用,因此我们可以随意一些,我在代码中使用的是预分频器为72,自动重装器为100,那么得到的频率为72MHz/72/100=1000Hz,也就是一次定时器中断的时间为100us,而自动重装器里的每一个值就是1us,所以每次外部中断的下降沿触发之后只需要将定时器触发的次数*100再加上自动重装器里的值就可以得到回响信号的持续时间了,单位是us。
定义时钟分频模块,产生周期为1us的时钟信号
clk_div.sv
// //产生一个以微秒为周期的时钟信号clk_us,该信号可用于驱动一些需要精确时间控制的电路 module clk_div( input logic Clk, // 输入系统时钟,50MHz input logic Rst_n, // 输入复位信号,低电平有效 output logic clk_us // 输出微秒级时钟信号 ); // 参数声明 1us = 1000ns = 50个时钟周期 parameter int CNT_MAX = 19'd50; //1us的计数值为 50 * Tclk(20ns) // 内部线网/寄存器声明 logic [18:0] cnt; // 定义一个19位的计数器 logic add_cnt; // 计数器使能信号 logic end_cnt; // 计数器结束信号,达到最大值时有效 // 计数器的寄存器逻辑 always_ff @(posedge Clk, negedge Rst_n) begin if (!Rst_n) begin // 如果复位信号有效,则计数器清零 cnt <= '0; end else if (add_cnt) begin // 如果计数器达到最大值,则计数器重置 if (end_cnt) begin cnt <= '0; end else begin // 否则计数器继续计数 cnt <= cnt + 1'b1; end end else begin cnt <= cnt; // 如果计数器未使能,则保持当前值 end end // 赋值计数器使能信号,始终使计数器有效 assign add_cnt = 1'b1; // 赋值计数器结束信号,当计数器使能并且计数值达到CNT_MAX - 1时有效 assign end_cnt = add_cnt && cnt >= CNT_MAX - 19'd1; // 赋值输出时钟信号,当计数器达到最大值时输出一个脉冲 assign clk_us = end_cnt; endmodule
hc_sr_trig.sv
:
// hc_sr_trig 模块定义开始,用于生成超声波触发信号 // Description ﹕超声波触发测距模块 // 波形周期 300ms,前 15us 高电平 module hc_sr_trig ( input logic clk_us, // 输入 1MHz 系统时钟 input logic Rst_n, // 输入复位信号,低电平有效 output logic trig // 输出触发测距信号 ); // 参数声明 300_000*1_000ns = 3 *10^8ns = 0.3s = 300ms // 波形周期 300ms,前 10us 高电平 // 建议测量周期为 60ms 以上,以防止发射信号对回响信号的影响。 parameter int CYCLE_MAX = 19'd300_000; // 定义触发信号的一个周期计数,基于 1MHz 时钟 // 内部线网/寄存器声明 logic [18:0] cnt; // 计数器,用于生成触发信号的时间控制 logic add_cnt; // 计数器使能信号 logic end_cnt; // 计数器结束信号,达到预定义周期时有效 // 计数器逻辑,用于控制触发信号的产生 always_ff @(posedge clk_us, negedge Rst_n) begin if (!Rst_n) begin // 如果复位信号有效,则计数器清零 cnt <= '0; end else if (add_cnt) begin // 如果计数器使能 if (end_cnt) begin // 如果计数器达到预定义的最大周期 cnt <= '0; // 计数器重置 end else begin cnt <= cnt + 1'b1; // 否则计数器递增 end end else begin cnt <= cnt; // 如果计数器未使能,则保持当前值 end end assign add_cnt = 1'b1; // 赋值计数器使能信号,始终使计数器有效 assign end_cnt = add_cnt && (cnt == CYCLE_MAX - 9'd1); // 赋值计数器结束信号,当计数器值达到 CYCLE_MAX - 1 时有效 // 赋值触发信号,当计数器值小于 15 时,输出高电平,作为触发 // cnt < 15 置为高电平,表示前 15us 为高电平,作为触发信号 // 此逻辑基于 HC-SR04 模块的触发信号需求,通常为 10 微秒的高电平 assign trig = (cnt < 15) ? 1'b1 : 1'b0; /* 计数器 cnt 用于生成持续一定时间的触发信号 trig。当计数器小于 15 时,trig 为高电平,表示触发信号是活跃的。 计数器在每个 1MHz 时钟的上升沿递增,当计数器达到设定的最大周期 CYCLE_MAX 时,计数器重置,重新开始计数。 这样,trig 信号就会周期性地输出高电平脉冲,以满足 HC-SR04 超声波传感器的触发需求。 */ endmodule
hc_sr_echo.sv
// 处理HC-SR04超声波传感器的回声信号,并计算距离 // Description ﹕超声波检测距离模块 // 本模块理论测试距离 2cm~510cm // 输出结果保留两位小数 module hc_sr_echo ( input logic Clk, // 输入50MHz时钟信号 input logic clk_us, // 输入1MHz系统时钟信号 input logic Rst_n, // 输入复位信号,低电平有效 input logic echo, // 输入超声波回声信号 output logic [18:0] data_o // 输出检测到的距离,以厘米为单位,保留三位小数 ); /* S(um) = 17 * t --> x.abc cm */ //Parameter Declarations parameter T_MAX = 16'd60_000; // 定义计数器的最大值,对应510厘米 logic r1_echo, r2_echo; // 用于边沿检测的寄存器 logic echo_pos, echo_neg; // 回声信号的上升沿和下降 logic [15:0] cnt; // 1MHz时钟下的计数器,用于测量回声脉冲宽度 logic add_cnt; // 计数器使能信号 logic end_cnt; // 计数器结束信号 logic [18:0] data_r; // 距离数据的中间寄存器 // 逻辑描述 // 使用50MHz时钟检测回声信号的边沿,以避免使用1MHz时钟导致的2us延时 always_ff @(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if (!Rst_n) begin r1_echo <= 1'b0; r2_echo <= 1'b0; end else begin r1_echo <= echo; r2_echo <= r1_echo; end end // 产生上升沿和下降沿信号 assign echo_pos = r1_echo & ~r2_echo; // 回声信号上升沿 assign echo_neg = ~r1_echo & r2_echo; // 回声信号下降沿 // 计数器逻辑,用于测量回声脉冲宽度 always_ff @(posedge clk_us or negedge Rst_n) begin if (!Rst_n) begin cnt <= '0; end else if (add_cnt) begin if (end_cnt) begin cnt <= cnt; // 如果达到最大测量范围,则保持当前计数值 end else begin cnt <= cnt + 1'b1; // 否则计数器递增 end end else begin // 如果回声信号低电平,计数器归零 cnt <= '0; end end assign add_cnt = echo; // 赋值计数器使能信号,当回声信号为高电平时使能计数器 assign end_cnt = add_cnt && cnt >= T_MAX - 1; //赋值计数器结束信号,当计数器达到最大值T_MAX时有效 超出最大测量范围则保持不变,极限 // 测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2; // 距离数据处理逻辑,将计数值转换为距离 always_ff @(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if (!Rst_n) begin data_r <= 'd2; // 复位时中间寄存器置为2,用于小数点后三位的计算 end else if (echo_neg) begin // 当回声信号下降沿到来时,将计数值左移四位并加上自身,实现小数点后三位的计算 //t = cnt*1000ns = cnt*10-6s //s = 340*t m data_r <= (cnt << 4) + cnt; end else begin data_r <= data_r; // 否则保持当前值 end end // 将中间寄存器的数据右移一位,实现除以2的操作,得到最终的距离数据 assign data_o = data_r >> 1; endmodule
查看平台手册,发现DE2-115开发板不涉及位选信号,每个段选信号都有一个单独的引脚。
数码管驱动器模块代码如下,用于将输入的数据(data_o)转换为对应的数码管显示:
seg_driver
:
// seg_driver模块用于驱动七段显示器,显示数字或特定的符号。 module seg_driver( input logic Clk, // 输入的时钟信号。 input logic Rst_n, // 低电平有效的复位信号。 input logic [18:0] data_o, // 输入的数字数据,这里假设是测得的距离数据。 output logic [6:0] hex1, // 第1个七段显示器的段选信号输出。 output logic [6:0] hex2, // 第2个... output logic [6:0] hex3, output logic [6:0] hex4, output logic [6:0] hex5, output logic [6:0] hex6, output logic [6:0] hex7, output logic [6:0] hex8 ); // 参数定义区,定义了特殊显示值和小数点的编码,以及计数器的最大值。 parameter NOTION = 4'd10, // 定义数字"10"用于消隐的编码。 FUSHU = 4'd11, // 定义数字"11"用作小数点的编码。 MAX20us = 10'd1000; // 定义20微秒计数器的最大值。 // 寄存器声明区,声明了用于控制和显示数字的内部寄存器。 logic [9:0] cnt_20us; // 用于动态扫描定时的20微秒计数器。 logic [7:0] sel_r; // 动态扫描控制的片选信号寄存器。 logic [3:0] number; // 要显示的数字,范围0-9或特殊编码。 logic [6:0] seg_r; // 根据number解析得到的七段显示器段选编码。 // 每个七段显示器的段选编码寄存器,用于存储最终输出到显示器的段选编码。 logic [6:0] hex1_r, hex2_r, hex3_r, hex4_r, hex5_r, hex6_r, hex7_r, hex8_r; // 20微秒计数器始终块,用于周期性地重置计数器来实现动态扫描。 always_ff @(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if (!Rst_n) begin cnt_20us <= 0; // 复位时计数器清零。 end else if (cnt_20us == (MAX20us - 1)) begin cnt_20us <= 0; // 计数器达到最大值时重置。 end else begin cnt_20us <= cnt_20us + 1; // 否则计数器递增。 end end // 动态扫描控制始终块,用于生成选择当前激活的七段显示器的片选信号。 always_ff @(posedge Clk or negedge Rst_n) begin if (!Rst_n) begin sel_r <= 8'b11_11_11_10; // 复位时初始化片选信号。 end else if (cnt_20us == (MAX20us - 1)) begin sel_r <= {sel_r[6:0], sel_r[7]}; // 计数器达到最大值时,片选信号左移循环。 end else begin sel_r <= sel_r; // 否则保持当前片选信号不变。 end end // 组合逻辑块,根据片选信号sel_r获取要显示的数字。 always_comb begin case (sel_r) // 根据sel_r的值选择对应的数字或特殊编码。 // 这些编码对应于输入数据data_o的不同部分。 // ...(此处省略了部分case语句) default: number = 4'd0; // 默认情况下不显示任何数字。 endcase end // 组合逻辑块,根据数字解析出对应的七段显示器段选值seg_r。 always_comb begin case (number) // 对应数字0-9的七段显示器编码。 // ...(此处省略了部分case语句) NOTION: seg_r = 7'b111_1111; // 消隐编码,所有段都不亮。 FUSHU: seg_r = 7'b011_1111; // 小数点编码,只点亮小数点部分。 default: seg_r = 7'b111_1111; // 默认消隐。 endcase end // 组合逻辑块,根据片选信号sel_r将seg_r值赋给对应的七段显示器寄存器。 always_comb begin // 初始化所有寄存器为消隐状态。 hex1_r = 7'b111_1111; hex2_r = 7'b111_1111; hex3_r = 7'b111_1111; hex4_r = 7'b111_1111; hex5_r = 7'b111_1111; hex6_r = 7'b111_1111; hex7_r = 7'b111_1111; hex8_r = 7'b111_1111; // 根据当前选中的显示器,将seg_r的值赋给对应的寄存器。 case (sel_r) 8'b11_11_11_10: hex1_r = seg_r; 8'b11_11_11_01: hex2_r = seg_r; // ...(此处省略了部分case语句) default: ; endcase end // 将寄存器的值通过assign语句输出到端口,连接到外部的七段显示器硬件。 assign hex1 = hex1_r; assign hex2 = hex2_r; assign hex3 = hex3_r; assign hex4 = hex4_r; assign hex5 = hex5_r; assign hex6 = hex6_r; assign hex7 = hex7_r; assign hex8 = hex8_r; endmodule
vga_dirve.sv
:
module vga_dirve ( input logic clk, // 系统时钟 input logic rst_n, // 复位 input logic [23:0] rgb_data, // 16位RGB对应值 output logic vga_clk, // vga时钟 25M output logic h_sync, // 行同步信号 output logic v_sync, // 场同步信号 output logic [11:0] addr_h, // 行地址 output logic [11:0] addr_v, // 列地址 output logic [7:0] rgb_r, // 红基色 output logic [7:0] rgb_g, // 绿基色 output logic [7:0] rgb_b // 蓝基色 ); // 640 * 480 60HZ localparam int H_FRONT = 16; // 行同步前沿信号周期长 localparam int H_SYNC = 96; // 行同步信号周期长 localparam int H_BLACK = 48; // 行同步后沿信号周期长 localparam int H_ACT = 640; // 行显示周期长 localparam int V_FRONT = 11; // 场同步前沿信号周期长 localparam int V_SYNC = 2; // 场同步信号周期长 localparam int V_BLACK = 31; // 场同步后沿信号周期长 localparam int V_ACT = 480; // 场显示周期长 // 800 * 600 72HZ (已注释,使用640*480) // ... localparam int H_TOTAL = H_FRONT + H_SYNC + H_BLACK + H_ACT; // 行周期 localparam int V_TOTAL = V_FRONT + V_SYNC + V_BLACK + V_ACT; // 列周期 logic [11:0] cnt_h; // 行计数器 logic [11:0] cnt_v; // 场计数器 logic [23:0] rgb; // 对应显示颜色值 // 对应计数器开始、结束、计数信号 logic flag_enable_cnt_h, flag_clear_cnt_h, flag_enable_cnt_v, flag_clear_cnt_v, flag_add_cnt_v, valid_area; // 25M时钟 行周期*场周期*刷新率 = 800 * 525* 60 logic clk_25; // 50M时钟 1040 * 666 * 72 // ... // PLL实例化生成时钟 pll pll_inst ( .areset(~rst_n), .inclk0(clk), .c0(clk_50), // 50M .c1(clk_25) // 25M ); // 根据不同分配率选择不同频率时钟 assign vga_clk = clk_25; // 行计数 always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin cnt_h <= 0; end else if (flag_enable_cnt_h) begin cnt_h <= flag_clear_cnt_h ? 0 : cnt_h + 1; end end // 行同步信号 always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin h_sync <= 0; end else if (cnt_h == H_SYNC - 1) begin h_sync <= 1; end else if (flag_clear_cnt_h) begin h_sync <= 0; end end // 场计数 always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin cnt_v <= 0; end else if (flag_enable_cnt_v) begin cnt_v <= flag_clear_cnt_v ? 0 : cnt_v + flag_add_cnt_v; end end // 场同步信号 always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin v_sync <= 0; end else if (cnt_v == V_SYNC - 1) begin v_sync <= 1; end else if (flag_clear_cnt_v) begin v_sync <= 0; end end // 对应有效区域行地址 1-640 always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin addr_h <= 0; end else if (valid_area) begin addr_h <= cnt_h - H_SYNC - H_BLACK + 1; end end // 对应有效区域列地址 1-480 always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin addr_v <= 0; end else if (valid_area) begin addr_v <= cnt_v - V_SYNC - V_BLACK + 1; end end // 有效显示区域 assign valid_area = cnt_h >= H_SYNC + H_BLACK && cnt_h <= H_SYNC + H_BLACK + H_ACT && cnt_v >= V_SYNC + V_BLACK && cnt_v <= V_SYNC + V_BLACK + V_ACT; // 显示颜色 always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin rgb <= 24'b0; end else if (valid_area) begin rgb <= rgb_data; end end assign rgb_r = rgb[23:16]; assign rgb_g = rgb[15:8]; assign rgb_b = rgb[7:0]; endmodule // vga_dirve
这里要求超声波模块的正负极分别接入5V和GND,其余trigger和echo自由接线,我这里使用的是GPIO[0]和GPIO[1]
首先这里提出引脚配置,其中trig和echo引脚与自己所接线的位置向同即可
配置文件如下:
使用System-Verilog实现FPGA基于DE2-115开发板驱动HC_SR04超声波测距模块|集成蜂鸣器,led和vga提示功能
在本项目中,我成功实现了基于FPGA DE2-115开发板的HC-SR04超声波测距模块。通过使用SystemVerilog语言,我们设计并实现了时钟分频、超声波测距、数码管驱动以及VGA驱动等多个关键模块。这些模块协同工作,实现了超声波测距的基本功能,并将测量结果显示在数码管上,同时集成了蜂鸣器、LED和VGA提示功能,增强了用户体验。
关键实现点:
集成功能:
1s一响
;小于10cm,0.5s一响
;全亮提示
;警告warning 图片
测试与验证:
通过在DE2-115开发板上的实际测试,我们验证了系统的测距功能和各种提示功能的准确性。展示了超声波测距模块的基本实现和扩展应用的可能性。
结论:
本项目不仅加深了对FPGA和SystemVerilog的理解,而且通过实际应用提高了解决实际问题的能力。虽然在实现过程中参考了前辈的代码,但能够补全并改进代码,对我来说是一次宝贵的学习和成长经历。期待在未来的项目中继续探索和创新。
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