文章目录
- 前言
- 一、实验原理
- 1.1 传感器概述：
- 1.2 传感器引脚
- 1.3 传感器工作原理
- 1.4 整体测距原理及编写思路
- 二、System-Verilog文件
- 2.1 时钟分频
- （1）clk_div.sv
- 2.2 超声波测距
- （1）hc_sr_trig.sv
- （2）hc_sr_echo.sv
- 2.3 数码管驱动
- （1）seg_driver.sv
- 2.4 VGA驱动
- （1）vga_dirve.sv
- 三、实现过程
- 3.1 模块说明
- 3.2 引脚分配
- 三、演示视频
- 总结
- 参考
前言
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
- 蜂鸣器提示，小于20cm，
1s一响；小于10cm，0.5s一响； - LED提示，小于20cm，
全亮提示； - VGA提示，小于20cm ，显示
警告warning 图片
小tips:
VSCODE插件安装一波
一、实验原理
1.1 传感器概述：
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。
1.2 传感器引脚
-
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
1.3 传感器工作原理
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。
1.4 整体测距原理及编写思路
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。
二、System-Verilog文件
2.1 时钟分频
（1）clk_div.sv
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
2.2 超声波测距
- 实现HC-SR04超声波传感器的触发模块，用于生成触发测距信号（trig）
- 定义HC-SR04超声波传感器的回声模块，用于测量距离并输出检测距离数据（data_o）
（1）hc_sr_trig.sv
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
（2）hc_sr_echo.sv
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
2.3 数码管驱动
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：
（1）seg_driver.sv
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
2.4 VGA驱动
（1）vga_dirve.sv
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
三、实现过程
3.1 模块说明
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]
3.2 引脚分配
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：
三、演示视频
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
总结
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：
- 时钟分频模块 (clk_div.sv)：生成周期为1us的时钟信号，为系统提供精确的时间控制。
- 超声波测距模块 (hc_sr_trig.sv 和 hc_sr_echo.sv)：负责触发测距信号并处理回声信号，计算出距离。
- 数码管驱动模块 (seg_driver.sv)：将测得的距离数据转换为数码管可以显示的格式。
- VGA驱动模块 (vga_dirve.sv)：负责生成VGA信号，并在屏幕上显示警告图片，提供视觉反馈。
集成功能：
- 蜂鸣器提示，小于20cm，
1s一响；小于10cm，0.5s一响； - LED提示，小于20cm，
全亮提示； - VGA提示，小于20cm ，显示
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。
参考
FPGA基于DE2-115 开发板板和HC_SR04驱动的超声波测距
基于DE2 115开发板驱动HC_SR04超声波测距模块
