欢迎各位朋友关注“郝旭帅电子设计团队”，本篇为各位朋友介绍基于FPGA的超声波（HC-SR04）测距系统设计---第一版
功能说明：
1. 利用HC-SR 04超声波模块进行测距。
2. 在数码管上面显示测量出来的距离。
3. 数码管显示精度为cm。
4. 测量结果进行滑动均值处理（窗口长度为：4）
5. 由于HC-SR 04模块限制，测量范围：2cm-400cm，测量频率： 100ms测量一次。
6. 如果实际距离大于400cm，会出现测量不准确的情况。
7. 如果测量距离大于400cm，数码管显示E。
使用平台：本次设计应用Altera的平台设计（芯片：EP4CE10F17C8N）。
仿真平台：Modelsim。
作者QQ：746833924
说明：本篇设计中不涉及到IP和原语，代码在其他平台依然可以适用；当其他板卡电路不同时，会导致不同的现象出现，如有需要修改代码请联系作者；如需作者使用的板卡，请联系作者；
HC-SR04模块简介：
VCC为5V电源；GND为地线；TRIG为触发信号输入；ECHO为回响信号输出。
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm。
基本工作原理：
1. 给TRIG端口一个至少10us的高电平信号（建议给15us）。
2. 模块自动发送8个40Khz的方波，自动检测是否有信号返回（模块自动完成，不需要外部干预）。
3. 有信号返回时，模块会给ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测量距离时，要求被测量的物体为一个平面，否则会影响测量结果。
模块将声波发出去，到达物体表面，反射回来到模块。所以ECHO输出高电平的时间是测量物体与模块之间声波往返的时间。
测量距离=（高电平时间 x 声速（340m/s））/2;（需要注意单位，一般FPGA测量的时间单位为ns）
设计思想如下：
ultrasonic_drive模块负责产生触发trig信号，接收并且判断echo信号高电平的时间长度，然后计算距离，并且将距离换算成为BCD输出。
seven_tube_drive模块负责将距离的BCD码显示出来。
ultrasonic_drive模块设计思路：
产生trig信号思路：每100ms产生15us的高电平。
a. 计数器记录100ms。
b. 达到100ms后，启动15us计时器。
c. 在启动15us计时器期间，拉高trig信号。
// 计数器记录100ms。
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
cnt_100ms <= 23'd0;
else
if (cnt_100ms < T_100ms - 1'b1)
cnt_100ms <= cnt_100ms + 1'b1;
else
cnt_100ms <= 23'd0;
end
// 达到100ms后，启动15us计时器。
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
cnt_15us <= 10'd0;
else
if (cnt_100ms == T_100ms - 1'b1 && cnt_15us == 10'd0)
cnt_15us <= cnt_15us + 1'b1;
else
if (cnt_15us > 10'd0 && cnt_15us < T_15us)
cnt_15us <= cnt_15us + 1'b1;
else
cnt_15us <= 10'd0;
end
// 在启动15us计时器期间，拉高trig信号。
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
ultrasonic_trig <= 1'b0;
else
if (cnt_15us > 10'd0 && cnt_15us < T_15us)
ultrasonic_trig <= 1'b1;
else
ultrasonic_trig <= 1'b0;
end
记录echo信号的高电平的周期数。
a. 高电平期间计数，低电平清零。
b. 下降沿检测。
c. 检测到下降沿进行存储。
外部echo信号为异步信号，需要同步处理。并且下图时序也表明在下降沿时，正好可以保存记录的高电平的周期数。
// 同步
always @ (posedge clk) echo_r <= ultrasonic_echo;
always @ (posedge clk) echo_rr <= echo_r;
// 边沿检测
always @ (posedge clk) echo_rrr <= echo_rr;
assign flag_neg = echo_rrr & (~echo_rr);
assign flag_pos = (~echo_rrr) & echo_rr;
// 记录高电平的周期数
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
echo_high_cnt <= 32'd0;
else
if (echo_rr == 1'b1)
echo_high_cnt <= echo_high_cnt + 1'b1;
else
echo_high_cnt <= 32'd0;
end
// 存储记录的周期数
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
echo_high_cnt_0 <= 32'd0;
else
if (flag_neg == 1'b1)
echo_high_cnt_0 <= echo_high_cnt;
else
echo_high_cnt_0 <= echo_high_cnt_0;
end
a. 存储四次。
b. 假设最开始为0， 所以和的结果为0；以后都是减去最早的，加上最新的。
c. 和除以四，得到均值
// 存储四次测量的结果
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
echo_high_cnt_0 <= 32'd0;
else
if (flag_neg == 1'b1)
echo_high_cnt_0 <= echo_high_cnt;
else
echo_high_cnt_0 <= echo_high_cnt_0;
end
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
echo_high_cnt_1 <= 32'd0;
else
if (flag_neg == 1'b1)
echo_high_cnt_1 <= echo_high_cnt_0;
else
echo_high_cnt_1 <= echo_high_cnt_1;
end
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
echo_high_cnt_2 <= 32'd0;
else
if (flag_neg == 1'b1)
echo_high_cnt_2 <= echo_high_cnt_1;
else
echo_high_cnt_2 <= echo_high_cnt_2;
end
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
echo_high_cnt_3 <= 32'd0;
else
if (flag_neg == 1'b1)
echo_high_cnt_3 <= echo_high_cnt_2;
else
echo_high_cnt_3 <= echo_high_cnt_3;
end
// 默认前四次结果为0，和也为0，所以最新的四次的和计算方式为加上最新的，减去最早缓存的距离。
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
echo_high_cnt_sum <= 32'd0;
else
if (flag_neg == 1'b1)
echo_high_cnt_sum <= echo_high_cnt_sum + echo_high_cnt - echo_high_cnt_3;
else
echo_high_cnt_sum <= echo_high_cnt_sum;
end
// 除以4，等于右移两位
assign result_echo_high_cnt = echo_high_cnt_sum >> 2;
根据均值，计算距离。
计算公式： result_echo_high_cnt * 20 *340/2/1_000_000_000
周期为20ns，声速为340m/s，需要换算统一单位为ns
除以1_000_000_000是将s换位ns，但是结果为m
再将结果乘以100，即：除以10_000_000 则结果为cm。
最终计算公式：result_echo_high_cnt * 20 *340/2/10_000_000
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
distance <= 32'd0;
else
distance <= result_echo_high_cnt * 20 * 340/20_000_000;
end
将数字的每一位计算出来（BCD码表示），用于显示。
测量距离大于400cm，最后一个数码管显示E。
//计算每一个数码管应该亮什么
//距离大于400cm，数码管最后一个显示E.
// 输出F时，数码管不亮。
initial show_data = 24'hffffff;
always @ (posedge clk) begin
if (rst_n == 1'b0)
show_data <= 24'hffffff;
else
if (distance > 400)
show_data <= 24'hfffffe;
else begin
show_data[23:12] <= 12'hfff;
show_data[11:8] <= distance/100;
show_data[7:4] <= distance/10 % 10;
show_data[3:0] <= distance % 10;
end
end
以上就是ultrasonic_drive的设计原理。
七段数码管为普通六位一体的共阳极数码，采用动态驱动的方式，在此不再赘述。
下板后，我们就可以看到超声波测量的运行情况。
利用卷尺测量的结果和超声波测量的结果基本相同。
注：测量时，a.测量物体是平面，b.测量时，测量路径上不要有干扰的东西（路径方圆20cm之内不要有东西）。
讲解和演示视频（链接）如下：
https://www.bilibili.com/video/BV1MS421o7FL/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=b5405faeab8632f02533bcbfc5e52e55
本设计所有内容（设计代码、设计工程）链接为：
链接：https://pan.baidu.com/s/1BfPVHx_8VSTeebRwxzd61A
提取码：ctqe
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标签：15us,SR04,FPGA,高电平,测量,---,数码管,000,模块 From： https://www.cnblogs.com/fendoudexiaohai/p/18256720