馬 凱，曹雪偉

（1.南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210048；2.高等教育出版社有限公司，北京 100039）

基于FPGA超聲波測距設(shè)計(jì)

馬 凱1，曹雪偉2

（1.南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210048；2.高等教育出版社有限公司，北京 100039）

文章介紹了一種超聲波測距控制器設(shè)計(jì)方案，使用Microsemi公司的FPGA芯片搭建了測距系統(tǒng)硬件電路，然后利用Verilog HDL語言進(jìn)行編程、仿真和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期任務(wù)要求。

FPGA；超聲波；測距

利用超聲波技術(shù)可以直接測量近距離目標(biāo)，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強(qiáng)，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大等優(yōu)點(diǎn)。目前，超聲波測距已普遍應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人定位、汽車導(dǎo)航、無人機(jī)蔽障等領(lǐng)域[1]。

隨著IC設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）開始應(yīng)用到超聲波測距系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA強(qiáng)大的在線可編程特性能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)復(fù)雜測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、邏輯運(yùn)算、軟件編程、仿真和調(diào)試功能。

FPGA是一種可以現(xiàn)場編程的集成電路芯片，它的邏輯門電路數(shù)是萬量級(jí)別，常用的基本邏輯門電路或者更復(fù)雜的組合功能電路都可以用簡單地編程來實(shí)現(xiàn)。FPGA設(shè)計(jì)通常指定用硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL），系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以方便地連接、設(shè)置邏輯功能塊，可靠實(shí)現(xiàn)控制要求的邏輯函數(shù)，而且很多的FPGA器件內(nèi)部配置基本存儲(chǔ)單元或者留存完整的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域[2]。

本文介紹了超聲波測距系統(tǒng)中用FPGA來實(shí)現(xiàn)對超聲波傳感器的收發(fā)控制及數(shù)據(jù)處理。考慮系統(tǒng)中對輸入輸出接口的需求和FPGA產(chǎn)品的代表性，主控芯片選用了Microsemi公司PA系列的FPGA，型號(hào)為APA300PBGA456I。

1 PFGA芯片簡介

1.1 性能簡介

APA300是Microsemi公司PA系列芯片，擁有可再編程Flash技術(shù)、非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)特性，允許開發(fā)人員移植現(xiàn)有的FPGA設(shè)計(jì)流程和開發(fā)工具，設(shè)計(jì)新系統(tǒng)。PA系列PFGA器件的特點(diǎn)包含：（1）多電壓（3.3 V，2.5 V）工作環(huán)境；（2）雙時(shí)鐘系統(tǒng)，每個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)都有鎖相環(huán)、延遲線、乘法器/除法器；（3）兩個(gè)差分輸入對（LVPECL），用于接收時(shí)鐘或數(shù)據(jù)；（4）支持高達(dá)72 k的兩端口嵌入SRAM和290個(gè)可用的I/O口；（5）上電即工作[3]。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PA系列的FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由基本邏輯單元（Logic Unit）、隨機(jī)寄存器（Random-Access Memory，RAM）、嵌入式FIFO塊、輸入輸出接口（I/O口）、可編程連線等幾部分構(gòu)成。器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FPGA器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 內(nèi)部資源及特點(diǎn)

芯片內(nèi)部包含8 kB邏輯單元，每個(gè)邏輯單元可以通過不同的Flash開關(guān)互連，配置為一個(gè)三輸入邏輯功能塊。而且Flash開關(guān)分布于整個(gè)設(shè)備，能夠提供非易失性，能夠重構(gòu)互連編程，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的輸入輸出邏輯功能。

芯片內(nèi)部有嵌入式的兩端口SRAM塊，自建FIFO/RAM控制邏輯，配置內(nèi)容有同步或異步操作、雙口RAM的設(shè)定、定義的深度和寬度、奇偶校驗(yàn)等。

APA300 FPGA另外一個(gè)顯著特點(diǎn)是內(nèi)部SRAM編程元件采用上電即通ISP閃存開關(guān)技術(shù)。APA300提供大量的I/O接口，而且電源電壓是可配置，所有I/O接口內(nèi)部都設(shè)計(jì)了靜電保護(hù)電路，能夠充分滿足系統(tǒng)要求。I/O接口的輸入、輸出、雙向緩沖或三態(tài)驅(qū)動(dòng)等復(fù)用功能，可以通過編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括FPGA運(yùn)算控制器模塊和超聲波收發(fā)模塊及接口電路。FPGA通過定時(shí)運(yùn)算產(chǎn)生脈沖信號(hào)，微弱的脈沖信號(hào)經(jīng)接口電路放大后，驅(qū)動(dòng)超聲波收發(fā)模塊的發(fā)射換能器發(fā)射出檢測聲波，經(jīng)被測物反射后的回波信號(hào)，由超聲波接收模塊濾波放大后，再由FPGA檢測回波信號(hào)，經(jīng)計(jì)算后得到距離[5]，系統(tǒng)組成框如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框

2.1 超聲波測距原理

回波檢測法中超聲波傳感器的發(fā)射換能器向外發(fā)射超聲波，超聲波在介質(zhì)中傳播，遇到障礙物后則會(huì)反射產(chǎn)生回波，超聲波傳感器的接收換能器接收回波，因此由超聲波的傳播速率和往返時(shí)問可確定超聲波傳感器與物體的距離。

2.2 外圍芯片選用

Microsemi公司PA系列的FPGA芯片APA300PBGA456I，其原理圖使用EDA軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)按信號(hào)特性分為5個(gè)Bank，原理圖信號(hào)清晰，可以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度。原理圖塊特性如表1所示。表1中Bank1和Bank2為I/O輸入輸出接口；Bank3為JTAG口；Bank4電源，Bank5為GND。

表1 原理圖塊特性

為滿足FPGA的正常工作，需要提供不同等級(jí)的電壓，對I/O接口進(jìn)行信號(hào)隔離和驅(qū)動(dòng)放大。電源方面采用MSK的電壓轉(zhuǎn)換芯片MSK5230，它可提供2.5 V和3.3 V穩(wěn)定輸出電壓，滿足了FPGA 3.3 V和2.5 V的供電要求；I/O接口芯片為74LVC4245A，該芯片是3.3 V供電，能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)轉(zhuǎn)換為3.3 V信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)I/O接口的信號(hào)隔離和驅(qū)動(dòng)放大。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方面，軟件總體架構(gòu)是采用主流的從上到下（Top-Down）的模塊化設(shè)計(jì)方式，編程上利用廣泛通用的Verilog HDL語言進(jìn)行[6]。

3.1 模塊化設(shè)計(jì)

FPGA軟件功能模塊框如圖3所示。其中各個(gè)功能模塊在FPGA內(nèi)部并行運(yùn)行，模塊間的數(shù)據(jù)傳輸是通過寄存器完成。

FPGA主要軟件模塊的主要任務(wù)和具體功能如下。

（1）主模塊即主程序，主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)I/O接口信號(hào)的定義，同時(shí)定義各個(gè)功能子程序模塊，明確主模塊和各子模塊之間關(guān)系。

（2）時(shí)序發(fā)生器模塊主用任務(wù)是為其他模塊提供時(shí)鐘信號(hào)，它是整個(gè)FPGA工作的基礎(chǔ)，能夠確保系統(tǒng)各模塊同步工作。

圖3 FPGA軟件功能模塊框

（3）高速計(jì)數(shù)器模塊主要任務(wù)是高速定時(shí)或計(jì)數(shù)，其功能是采樣超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)出和回波信號(hào)返回時(shí)差間的脈沖數(shù)據(jù)，是測距運(yùn)算的先決條件，F(xiàn)PGA的運(yùn)行速度越高，在回波信號(hào)到達(dá)時(shí)刻捕獲越準(zhǔn)確，則測距精度就越高。

（4）波形發(fā)生器模塊的任務(wù)是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，它是在時(shí)序發(fā)生器的作用下，分頻處理得到符合超聲波換能器工作的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

（5）回波識(shí)別模塊的任務(wù)是實(shí)時(shí)準(zhǔn)確捕獲回波信號(hào)到達(dá)時(shí)刻，是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵，可以結(jié)合檢波電路通過極值算法實(shí)現(xiàn)。

3.2 算法流程

具體的算法流程如4所示，首先上電復(fù)位系統(tǒng)初始化，各相關(guān)寄存器初始狀態(tài)清零，F(xiàn)PGA各個(gè)子模塊并行運(yùn)行，然后時(shí)序發(fā)生器按照控制要求產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)高速計(jì)數(shù)器開始工作，隨后等待回波信號(hào)中斷請求，“是”則停止高速計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，然后進(jìn)行距離計(jì)算，“否”則繼續(xù)等待回波信號(hào)到來。

圖4 控制器軟件程序算法流程

3.3 軟件編寫、仿真、實(shí)現(xiàn)

根據(jù)FPGA模塊化設(shè)計(jì)思想和算法，本系統(tǒng)采用Libero Soc集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDE）開發(fā)，Libero Soc IDE軟件設(shè)計(jì)功能完備、強(qiáng)大，支持Verilog HDL和VHDL輸入，原理圖輸入，綜合工具生成網(wǎng)表，測試向量文件的生成，仿真工具布局布線和程序下載等。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用Verilog HDL硬件描述語言進(jìn)行編寫，軟件程序共分6個(gè)模塊，即主模塊、時(shí)序發(fā)生器模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、波形發(fā)生器模塊、回波識(shí)別模塊、距離計(jì)算模塊。

主要過程如下：首先在Libero Soc IDE開發(fā)軟件下選擇合適的FPGA器件類型和規(guī)模，然后進(jìn)行軟件程序代碼的編寫設(shè)計(jì)，程序代碼編寫界面如圖5所示。

程序編寫完成后，進(jìn)行Synplify綜合生成網(wǎng)表，則程序會(huì)自動(dòng)檢查代碼格式編寫情況，會(huì)有出錯(cuò)或報(bào)警提示，如有Error進(jìn)行及時(shí)改正，直到軟件綜合完成，程序綜合界面如圖6所示。

完成網(wǎng)表生成后，就可以編寫testbench（測試代碼）進(jìn)行Modelsim前仿真，前仿真是復(fù)雜程序內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，能夠查看程序中各寄存器、狀態(tài)機(jī)的工作狀態(tài)，也是程序功能正確實(shí)現(xiàn)前提，程序仿真界面如圖7所示。

測試仿真后，定義“PIN”管腳號(hào)（.gcf文件），然后布局布線及生成燒寫（.stp）文件，布局布線和生成燒寫文件如圖8所示。

最后通過Flash Pro軟件進(jìn)行燒寫文件下載，板上調(diào)試程序下載到FPGA內(nèi)，再進(jìn)行板上調(diào)試以達(dá)到預(yù)設(shè)功能。

4 結(jié)語

本文用FPGA實(shí)現(xiàn)對超聲波傳感器的收發(fā)控制及數(shù)據(jù)處理功能，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)可靠，軟件采用自下而上的模塊化設(shè)計(jì)，通過Libero軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)功能，為超聲波ASIC芯片設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了一定的參考價(jià)值。

圖5 程序代碼編寫界面

圖6 程序綜合界面

圖7 程序仿真界面

圖8 布局布線和生成燒寫文件

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Design of ultrasonic distance measuring based on FPGA

Ma Kai1, Cao Xuewei2

（1.Nanjing Polytechnic Institute, Nanjing 210048, China; 2.Higher Education Press Co., Ltd., Beijing 100039, China）

This paper introduces a kind of ultrasonic distance measuring controller design, using Microsemi’s FPGA chips build a distance measuring system hardware circuit, then utilizing Verilog HDL language to programme, simulation and debugging, which achieving the desired task requirements.

fi eld programmable gate array; ultrasonic; distance measuring

江蘇省“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：2017。南京科技職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：NHKY-2017-11。

馬凱（1978— ），男，江蘇邳州人，講師，碩士；研究方向：機(jī)電一體化，檢測技術(shù)。