61010323基于FPGA的小型超声波定位系统

本设计利用超声波传感器给FPGA提供足够精确的被检测物体位置信息，系统精确地将空间中的物体定位并将其位置信息实时地显示出来，实现较小空间内的高精度定位。

n      存在问题、应用背景

随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定各种设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多室内定位技术解决方案，如GPS技术、红外线技术、射频识别技术、超声波技术等等。

而其中超声波在对障碍物进行定位方面具有以下突出的优点：

（1）超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)；

（2）对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；

（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。

目前，各种超声检测技术己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。与其他定位技术相比，超声波能满足较高精度定位的要求，而且设备简单，成本低，在实验室实现容易。

FPGA器件高集成、高速度、低功耗、体积小，有丰富的查找表资源，在数字电路的设计中得到广泛的应用。本设计利用超声波传感器给FPGA提供足够精确的被检测物体位置信息，系统精确地将空间中的物体定位并将其位置信息实时地显示出来。

n      功能、指标、规模

功能：本系统通过将超声波发射器置于被检测的物体上，向周围按照一定的时间间隔发送超声波脉冲，在周围3个固定位置上分别接收超声波发射器发出来的脉冲信号，通过比较三个接收器收到信号的时间，可以算出超声波发生器的具体位置。当目标移动时，可以通过不问断测量，描出目标的运动轨迹。

指标：本系统工作时每0.5秒进行一次实时定位，系统定位精度精确达到厘米。规模：受外设和FPGA限制，定位空间范围在3米以内。

n      输入、输出接口

         输入：通过ISP实验系统引脚采集来自外部硬件的模拟高低信号；

         输出：输出信号通过VGA进行动态三维显示。

n      核心问题

1.   外部电路的实现；

2.   定时中断和计时功能的实现；

3.   定位算法在FPGA上的实现；

4.   利用VGA显示，电脑界面上动态描绘出被测物体所处的三维坐标；

本次设计采用压电式超声波传感器。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。

发射电路原理图如下图所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。

实际电路搭建：

实际电路搭建：

当超声波接收电路接收到超声波信号时会输入一个低电平，当第一个超声波脉冲发射的同时，FPGA中的计数器开始计数，在首波检测电路检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数。

             end

end

在本系统中，定位算法是重中之重。

三维算法实现：

     为了讨论简单，设在一个固定的参考坐标系的原点o、x轴上X'点、y轴上Y'点，分别安装上3个超声波接收器，同时在被检测的物体上安装上1个超声波发射器，如图1所示：

 

设被检测物体在A点坐标为( x，y，z )，3个超声波接收器坐标为o(0，0，0)、 X’(a，0，0)、)，Y' (O，b，0)， 、、由(1)式及检测电路经过计算得出。则有:

联解式(3)～(5)得：

即测量出 、、，就可利用上式求出 x、y、z的值，即得到被检测物体在三维坐标中的位置，实现定位。

在算法中，需要经过复杂的运算才能准确求的被测物体的空间坐标值，这一过程包括乘、除、开方等复杂运算。而FPGA并行运算的优势，在如此复杂的数据处理中难以发挥。

但是FPGA提供了丰富的查找表资源，所以遇到的问题迎刃而解。但是FPGA的rom大小十分有限，在这里也限制了空间定位系统的定位广度，为了保证系统的正常工作，便将期限定在空间坐标（200cm，200 cm，100 cm）以内。

设n为计数器计数脉冲个数，查找表1电路将脉冲个数n转换为距离数 ，查找表电路采用参数化模块lpm—rom来实现。事先通过计算 的值，并按n的大小依次存人ROM中，用n作为地址访问ROM，即可输出，n对应的L值。

WIDTH=8;

DEPTH=256;

_RADIX=UNS;

DATA_RADIX=OCT;

CONTENT BEGIN

          ……

END;

查找表2电路将L1、L2、a按式(5)转换为 x 值，事先通过计算得出x的值，依次存人ROM中，用L1、L2作为地址访问ROM，即可输出对应的x值。同理可的y的值。

 

该显示部分有vgacontrol.v和zuobiao.v模块组成，vgacontrol.v模块实现将物体的空间坐标转化为对应于VGA显示的坐标，使改点能够在屏幕的空间坐标轴中正确显示出来。

zuobiao.v模块模块则在显示屏上显示出一个三维坐标轴，并且受vgacontrol.v控制动态显示定位得到的物体坐标。

n      系统结构框图

n      模块功能描述

VGA模块：实时在三维空间坐标轴上显示定位得到的物体位置。

射频收发模块：射频收发模块因难度较大，用每0.5s定时发送超声波信号取代。

超声波收发：用于发射和接收超声波信号

FPGA核心控制模块：控制系统的计时和中断，核心定位算法的计算。

n      模块接口标注（参数、协议）

EP1C6Q240C8实验箱的输入输出的实际连线与管脚表

 

n      预期的目标与当前实现功能的差异详细注释

起初自己搜集资料涉及超声波收发电路，并且购买期间自己焊电路。在焊好以后进行检测时，发现难以判定整个电路是否工作。超声波接收电路总是难以得到预期的波形。在上面花了大量的时间进行调试也没有结果。

    最后购买了网上做好的超声波收发模块，刚拿到手下午监测每个模块都能正常工作，但是到了晚上在检测所有超声波收发模块都不尽兴工作了，都接收不到超声波信号。这让人非常头疼，导致最后验收时，因为外设无法正常工作，从而整个系统也无法进行检验。

预期目标是在VGA上显示物体的运动轨迹，但实际编程时发现，要实现要弄懂轨迹的保存需要占用FPGA很大的资源，而系统本身已经占用掉了绝大部分资源，故最后抛弃该功能。最终只在显示屏上物体每次定位所在的位置。

3. VGA显示时X轴坐标不准确

       要实现在VGA上显示物体的三维位置，需要对定位得到的（x,y,z）坐标进行转换，并且可以通过代数计算得到。但是实际操作过程中在空间坐标轴的x轴上的位置十分不准确，并且变换很不稳定。究其原因是通过ROM时的全局时钟不同意，产生了很大的误差。因为时间关系，该问题并没有很好的解决。

n      可以进一步发挥提高的部分

1、通过数码管实时显示物体的平均移动速度。

2、在显示屏上保留物体的运动轨迹

n      课程设计体会

数字系统设计这门课是十分有趣的！

在学期初老师对这门课进行介绍后就开始想自己要做什么。首先就告诉自己，要做实用的东西。因此把许多看起来很有趣但实际应用价值不大的课题排除了。

通过不断搜集资料进行筛选，决定做这一个超声波定位系统，最初只是认为这个课题可能会比较难，但是没想到在后期实际进行起来是那么的困难。

第一，模电部分想得太简单了。最初一位只要设计好电路，并且焊接好就不会有太大的问题。但是现实却给我上了残酷的一课，自己拿着焊接好的超声波发射和接收电路，却不知道该如何调试。正常情况下应该是发射模块发射一组超声波脉冲信号，接收模块接收到信号后则输入一个低电平给FPGA。但是当进行硬件检测时，发现无论如何都得不到一个稳定的低电平，要么一直是高，要么就是在示波器上检测到为知信号。花了几天的时间来进行硬件调试，却没有任何有效进展。只能不甘的放弃，这种感觉真的很难受。

第二，因为受到硬件部分的影响，软件部分的调试则只能进行分模块进行调试。其中的痛苦更是许多，仿真和实际烧程序进行测试是有很大差距的，要么是测了半天发现板子是坏的，要么是发现整个定位算法纯在逻辑错误，一切都要重新开始。因为是分模块测试，所以当所有模块组合在一起后，难以进行有效测试。最担心的同步时钟问题虽然用了自认十分可行的方法，但是无法最总检验。

第三，时间过于紧张。整个课程设计，是前松后紧的，对时间的安排十分不合理。越是临近验收整个人越是紧张，为了赶进度一次又一次的通宵调试电路，修改程序，整天整天的蹲在实验室里。这是十分不科学的，在以后的课程学习和工作中绝对不能这样，一定要按照一定的计划来工作。

在学习过程中，老师提供的帮助对我的帮助也是很大的，对于一些困惑自己数日的问题，经过老师的点播，换一种思维，问题总是能够迎刃而解。刚开始自己还是比较木讷，好多问题埋头自己研究而不主动去问，现在想想真是不应该。

回头看看这学期的课程设计，虽然很累很辛苦，但自己内心是十分快乐的。看着自己用了那么多时间做出的成果，虽然有很多不足的地方，内心的成就之感是高的。而我的超声波定位系统并不会随着课程的结束而结束，我会继续研究下去，除了用FPGA以外试着用单片机来进行系统的开发，来弥补FPGA在复杂函数处理方面的不足。