基于DE2 115开发板驱动HC_SR04实现超声波测距

一、实验准备

软件：Quartus + Modelsim
硬件：DE2-E115 FPGA开发板+HC_SR04模块

二、实验要求

使用DE2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。

三、实验原理

模块实物图：

模块引脚介绍：
从上图我们可以看到超声波模块的4个引脚，它们的作用罗列如下：

• VCC: 电源引脚，超声波模块工作电压为5伏。

• Trig: 是Trigger(触发)这个单词的缩写，该引脚用于触发超声波脉冲。

• Echo: 该引脚会在高电平和低电平之间转换，当检测到障碍物时，在高电平保持的时间就表示信号发射出去并反射回来的时间。

• GND: 接地引脚。

模块测距工作原理：

• 主控设备给 Trig 脚提供一个 10us 的脉冲信号。

• HC-SR04 接收到信号，开始发送超声波，并把 Echo置为高电平，然后准备接收返回的超声波。

• HC-SR04 接收到返回的超声波，把 Echo 置为低电平。

• Echo 高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间间隔。

超声波时序图：

四、模块实现

hc_sr_trig模块

module 	hc_sr_trig(
	input  wire			clk		,
	input  wire 		rst_n	,
		   
	output wire  		trig	  //触发测距信号
);

	//trig:超声波触发信号，高电平至少为10us,同时考虑到信号不要重叠，所以当距离为5000mm时的来回时间做为超声波触发信号的周期T
	//T=(5/340) * 1000ms = 14.7ms，来回就是29.4ms，所以就让触发脉冲的周期至少为30ms，高电平时间为10us
	//为了防止发射信号对回响信号产生影响，这里直接设定为100ms的周期，高电平为10us
	
	parameter CNT_10US_MAX = 9'd500;
	parameter CNT_100MS_MAX = 23'd5000_000;

	reg     [22:0]      cnt_100ms           ;
	wire                cnt_100ms_flag      ;
	reg 				trig_r;
	//cnt_100ms and cnt_100ms_flag
	assign  cnt_100ms_flag = cnt_100ms==CNT_100MS_MAX - 1'b1;
	always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
	    if(!rst_n) begin
			cnt_100ms<=23'd0;
		end
	    else if(cnt_100ms_flag) begin
			cnt_100ms<=23'd0;
		end
	    else begin
			cnt_100ms<=cnt_100ms+1'b1;
		end
	end

	//trig
	always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
	    if(!rst_n) begin
			trig_r<=1'b0;
		end
	    else if(cnt_100ms<CNT_10US_MAX) begin
			trig_r<=1'b1;
		end
	    else begin
			trig_r<=1'b0;
		end
	end

	assign trig = trig_r;
	
endmodule 

hc_sr_echo模块

module 	hc_sr_echo(
	input  wire 		clk			,
	input  wire 		rst_n		,
	input  wire 		echo		,
    
	output reg          fall_flag_r1,	//下降沿标志的打拍信号
	output wire [12:0]	data_o	  		//检测距离，保留3位小数，*1000实现
);

	/*计算：s=340*t/2 m   =   340_000 mm * t /2
	记脉冲个数：N
	s=N*20*340_000/1000_000_000/2 mm = N*0.0034 mm = N*34/10000 ;
	5000/0.0034=1470588     21bit      ; 34      6bit
	*/

	reg                 echo_r1         ;
	reg                 echo_r2         ;
	wire                raise_flag      ;//上升沿标志信号
	wire                fall_flag       ;//下降沿标志信号
	reg     [20:0]      cnt_pulse       ;//考虑的范围25~4000mm
	reg     [20:0]      temp_pulse      ;
	reg 	[12:0] 		data_bin		;
	
	//raise_flag
	assign raise_flag = ((~echo_r2) && (echo_r1)) ? 1'b1 : 1'b0 ;
	assign fall_flag  = ((echo_r2) && (~echo_r1)) ? 1'b1 : 1'b0 ;
	
	//beat time
	always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
	    if(!rst_n) begin
	        echo_r1<=1'b0;
	        echo_r2<=1'b0