超声波测距是一种非触摸式丈量技能，具有定向性好以及对颜色、光照度、外界光线和电磁场不灵敏的长处，当被测物处于漆黑、有尘埃或烟雾、强电磁搅扰及有毒等恶劣的环境时，超声波有很强的适应性。因而超声波传感器广泛用于工业丈量、安全预警、车辆避障、主动导航以及现场机器人等相关范畴。
现在绝大多数超声波测距体系都是以单片机作为信号发生和操控器，其丈量精度严峻受限于单片机的晶振频率（1.2 MHz~24 MHz），往往难以令人满意。并且用单片机操控的测距体系需求辅佐规划较多的由分立元件组成的外部模仿电路，故其抗搅扰功能也相对较差。FPGA作为一种高密度可编程器材，其内部能够集成较大规划的逻辑单元，适用于时序、组合等各种逻辑电路运用场合，具有运转速度快（100 MHz以上）、内部资源丰富等特色，为开发高准确度的超声测距体系供给了新的规划方案。
为此，本文规划了一种根据FPGA的超声波测距体系，有用提升了体系全体功能。
1 超声波测距原理
现在，超声波传感器的品种有许多，一般选用压电式超声波传感器。超声波测距原理如图1所示。超声波信号由超声波发射探头宣布的一起，计数器开端计数，超声波在传输过程中遇到障碍物会反射回来（称为回波），在超声波接纳探头收到回波的一起，计数器中止计数。由速度和时刻即可得到障碍物与测距设备之间的间隔：
S≈L=V×t/2（1）
其间，S为障碍物与测距设备之间的间隔，V为超声波的传播速度，t为计数器测得时刻。
2 测距体系与硬件电路
本超声波测距体系全体结构如图2所示，包含发射模块、接纳模块、显现模块、温度补偿模块和FPGA规划模块等。
CX20106A的2引脚与GND之间衔接RC串联网络，改动它们的数值便能改动芯片内部前置扩大器的增益和频率特性。增大电阻R或是减小电容C，都将使负反馈量增大，扩大倍数下降；反之则扩大倍数增大。这样便能够调理超声波接纳探头R的接纳灵敏度。但电容的改动会影响频率特性。
CX20106A的5引脚与电源端VCC接入一个电阻，用来设置其内部带通滤波器的中心频率f0。当R6阻值越大时，滤波器的中心频率越低。
CX20106A的7引脚的输出方法为集电极开路，因而该引脚有必要接上一个上拉电阻到电源端，没有接纳到超声波回波信号时，该端输出为高电平，当有回波信号进入时，该引脚则会跳变为低电平。
3 FPGA逻辑电路规划
在测距体系中，FPGA规划首要的功能模块有：时序发生电路模块、回波辨认模块、检波模块、可变门槛操控模块、高速计数器模块、温度补偿核算模块、间隔核算模块、显现操控模块和一些辅佐模块。在此，FPGA首要完成了发生超声波驱动信号、检波、计时、温度补偿核算、间隔核算和抗搅扰等使命。
时序发生器是FPGA和整个体系依照设定的时序正常作业的根底。首要为FPGA、超声波驱动操控信号、接纳使能信号和高速计数器等供给准确的时序与操控。在时序发生器的根底上，经过将大局时钟信号进行分频处理，得到契合驱动信号频率的方波脉冲。
检波器接纳电压比较器的输出信号进行高速处理，并对回波抵达时刻准确锁定，一起高速计数器会中止计数。
高速计数器首要经过记载计数脉冲的个数来核算渡越时刻。在驱动超声波信号宣布时，高速计数器开端计数，信号经功率扩大再由发射探头宣布超声波，遇到障碍物后回来，回波经电压比较器和检波器后，由检波器向高速计数器宣布信号，高速计数器中止计数。由于高速计数器的计数频率即为驱动超声波信号的频率，因而能够核算出渡越时刻t=n/f，其间n为计数脉冲的个数，f为驱动超声波信号的频率。
门槛操控是指设定一个电压门槛，在回波幅值高于此门槛的时分才有用。可变门槛操控模块首要是为了接纳回波并下降搅扰。障碍物的远近不同，回波的强度亦有所不同，所以应当设置可变的门槛值。当障碍物较远时，选用低的门槛值；反之，选用较高的门槛值。绝大多数搅扰信号的幅值较低，选用较高门槛就有较好的鲁棒性，能有用下降外界的搅扰。由于被测间隔多散布于中等规模，因而，在大部分时刻内能够选用较高门槛值，有用避开搅扰信号。
根据信号的强度来区别回波和搅扰，而回波辨认模块是根据信号的继续时刻和周期个数区别回波和搅扰。由于超声波发生器振子存在余振，余振波也会成为一种搅扰，但余振和一般的搅扰信号至多只要1~2个周期，而实在回波继续时刻长一般会超越10个周期。所以规划回波模块时，假如周期超越必定数目，则认为是实在回波，不然疏忽对该信号的接纳。这样能进一步减小搅扰。
4 试验成果剖析及总结
为验证超声波测距模块的丈量精度，在室内（温度为18.6℃）进行了实践丈量试验，其间丈量间隔由钢质卷尺屡次丈量求平均值所得。数据如表1所示。
从表1能够看出，距障碍物过近或较远时，丈量精度下降。由于太近时接纳和发射等电路的时延影响相对变大，并且发射信号有必要有一个上升时刻，当障碍物间隔太近时体系不能及时处理回波信号［6］，所以丈量误差明显增加。障碍物间隔太远时，回波信号弱小，混有很多的噪声，对门槛断定形成很大的应战。剖析表1中数据可知，在障碍物间隔测距设备600 mm~3 600 mm时，能够到达较高精度，相对误差规模保持在0.3%以内，稳定性也较高，能够满意绝大多数试验的需求。
表1中超声波所测数据均大于尺测间隔，而不是在尺测间隔上下动摇，原因可能是某部分电路存在极小的延时，导致高速计数器计时时刻比实践时刻长。下一步能够考虑在剖析很多测验数据后，在测验成果上再在加上必定的批改量，减小电路延时引进的误差，进一步进步体系精度。
如需取得更高的精度，能够进步超声波频率，但这是以献身丈量规模为价值的；同理，运用更低的超声波频率可使测距规模增大，但丈量精度会下降。可根据实践情况来挑选超声波频率。
整体来看，本文提出的根据FPGA的超声波测距体系很好有利地势用了超声波检测技能长处，充分发挥了FPGA的优势，选用多种办法来进步超声波测距精度，具有杰出的抗搅扰性和稳定性，且丈量盲区小、精度高，满意了大多数试验对障碍物丈量的需求。若要求丈量不同方向的障碍物，只需规划为多传感体系即可，具有实践运用价值。
