基于FPGA的超声波测距——UART串口输出

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前言

环境：
1、Quartus18.0
2、vscode
3、板子型号：EP4CE10F17C8
4、超声波模块：HC_SR04
要求：
使用 EP4CE10F17C8开发板驱动 超声波检测模块（HC_SR04 ），并将所测得数据显示到串口助手上。

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一、超声波模块介绍

1、产品特点

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,测距精度可达高到3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
基本工作原理:

(1)采用IO口 TRIG触发测距，给最少10us的高电平信呈。
(⑵)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回;
(3)有信号返回，通过IO口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。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

2、超声波模块的时序图

以上时序图表明你只需要提供一个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。由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。

二、系统设计

1、系统模块框图

2、RTL视图

三、源码

1、div_clk_us(1us的分频)

/**************
芯片晶振为50MHZ，HC_SR04需要一个10us的以上脉冲触发信号
所以这里我们需要对系统时钟进行分频，方便我们产生10us的持续电平
**************/
module div_clk_us (
    input sys_clk,
    input sys_rst_n,

    output wire  clk_us
);

//根据晶振换算，1us只需要计数50次即可

parameter [5:0] MAX_us = 6'd49;
reg [5:0] cnt;
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n)begin
        cnt <= 6'd0;
    end
    else if(cnt == MAX_us)begin
        cnt <= 6'd0;
    end
    else begin
        cnt <= cnt + 6'd1;
    end
end
assign clk_us = cnt >= MAX_us;
endmodule

2、产生驱动超声波的信号

/****************
根据分频的1us时钟，产生一个持续10us的电平用于驱动HC_SR04
最好是稍微大于10us，这样稳妥一些
****************/
module trig_driver(
    input       sys_us        ,//1us时钟
    input       sys_rst_n     ,

    output      trig          //驱动超声波的信号
);

parameter T = 19'd29_9999;//设置触发信号的周期，这里设置得越小，其触发越频繁，应该返回的距离更新更频繁

reg [18:0] cnt;

always @(posedge sys_us) begin// or negedge sys_rst_n
    if(!sys_rst_n)begin
        cnt <= 19'd0;
    end
    else if(cnt == T)begin
        cnt <= 19'd0;
    end
    else begin
        cnt <= cnt + 1'd1;
    end
end
//15us的高电平
assign trig = (cnt <15 ) ? 1'b1 : 1'b0;//正确的，只是时间太短，观察不到，目前应该是串口问题
endmodule

3、串口发送模块

module uart_send
#(
    parameter  CLK        =   26'd50000000    ,    // 时钟频率
    parameter  BAUD        =   17'd115200           // 波特率
)
(
    input   wire            clk         ,
    input   wire            rstn        ,   
    input   wire    [7 : 0] data_in     ,   // 需要发送的数据
    input   wire            flag_in     ,   // 数据接收标志位，既发送标志位

    output  wire            tx_done     , 
    output  reg             UART_tx         // 串口输出位         
);

    localparam Baud_Clk     =   CLK/BAUD       ;    // 传输每个 Baud 需要的时钟数

    reg             tx_en       ;   // 发送使能
    reg             flag_bit    ;   // 比特标志位，采用下降沿发送
    reg [8 : 0]     cnt_baud    ;   // 波特率计数器
    reg [3 : 0]     cnt_bit     ;   // 比特计数器

    assign tx_done = cnt_bit == 4'd9 && flag_bit == 1'b1;

    // 发送使能
    always @(posedge clk or negedge rstn) begin
        if(!rstn) begin
            tx_en <= 1'b0;
        end
        // 已经发送了十位 bit 并且到达下一个下降沿，输入只需要判断到数据位最后一位，输出则需要判断完整输出
        else if(cnt_bit == 4'd9 && flag_bit == 1'b1) begin
            tx_en <= 1'b0;
        end
        else if(flag_in == 1'b1) begin
            tx_en <= 1'b1;
        end
    end

    // 波特计数器
    always @(posedge clk or negedge rstn) begin
        if(!rstn) begin
            cnt_baud <= 9'd0;
        end
        // 传输完成所有波特或者使能失效，表示发送结束
        else if(cnt_baud == Baud_Clk - 1'b1 || tx_en == 1'b0) begin
            cnt_baud <= 9'd0;
        end
        else begin
            cnt_baud <= cnt_baud + 9'd1;
        end
    end

    always @(posedge clk or negedge rstn) begin
        if(!rstn) begin
            flag_bit <= 1'b0;
        end
        // 只有刚开始发送的一瞬间会产生一个时钟周期上升沿和下降沿
        else if(cnt_baud == 9'd1) begin
            flag_bit <= 1'b1;
        end
        else begin
            flag_bit <= 1'b0;
        end
    end

    // 计数10分有效数据位
    always @(posedge clk or negedge rstn) begin
        if(!rstn) begin
            cnt_bit <= 4'd0;
        end
        // 已经发送了十位 bit 并且到达下一个下降沿
        else if(cnt_bit == 4'd9 && flag_bit == 1'b1) begin
            cnt_bit <= 4'd0;
        end
        // 使能有效，下降沿发送数据
        else if(flag_bit == 1'b1 && tx_en == 1'b1) begin
            cnt_bit <= cnt_bit + 4'd1;
        end
        else begin
            cnt_bit <= cnt_bit;
        end
    end

    // 满足 RS232 协议 起始位为 0，停止位为 1，并按位输出
    always @(posedge clk or negedge rstn) begin
        if(!rstn) begin
            UART_tx <= 1'd1;
        end
        // 下降沿发送数据
        else if(flag_bit == 1'b1) begin
            case (cnt_bit)
                0:       UART_tx <= 1'd0        ;
                1:       UART_tx <= data_in[0]  ;
                2:       UART_tx <= data_in[1]  ;
                3:       UART_tx <= data_in[2]  ;
                4:       UART_tx <= data_in[3]  ;
                5:       UART_tx <= data_in[4]  ;
                6:       UART_tx <= data_in[5]  ;
                7:       UART_tx <= data_in[6]  ;
                8:       UART_tx <= data_in[7]  ;
                9:       UART_tx <= 1'd1        ;
                default: UART_tx <= 1'd1        ;
            endcase
        end
    end
endmodule //UART_send

4、HC_SR04_uart(顶层文件)

module HC_SR04_uart(
    input               sys_clk       ,
    input               sys_rst_n     ,
    input               echo          ,
    input        		uart_rx		  , // 串口输入 

    output              trig          ,         
    output              uart_tx       //串口发送端口
);
wire             clk_us;
wire [18:0]      data_o_r;//待发送的数据
//时钟分频
div_clk_us div_clk_us_inst(
    /*input */      .sys_clk         (sys_clk  ),
    /*input */      .sys_rst_n       (sys_rst_n),

    /*output*/      .clk_us          (clk_us)
);
//产生驱动超声波信号
trig_driver trig_driver_inst(
    /*input */      .sys_us        (clk_us),//1us时钟
    /*input */      .sys_rst_n     (sys_rst_n),

    /*output*/      .trig          (trig)//驱动超声波的信号
);
//对返回来的echo信号进行计算得出距离
echo_driver echo_driver_inst(
    /*input        */   .sys_clk         (sys_clk),
    /*input        */   .sys_us          (clk_us),
    /*input        */   .sys_rst_n       (sys_rst_n),
    /*input        */   .echo            (echo),

    /*output [18:0]*/   .data_o          (data_o_r)//检测距离，保留三位小数，*1000实现
);
//初步想法是使用串口发送模块直接操作，不需要串口回环，否则需要发送到接收，接收模块再发送给发送模块，发送模块再发送给PC
uart_driver2 uart_driver2_inst(
	.clk         (sys_clk  ),
	.rstn        (sys_rst_n),
	.data_in	 (data_o_r	),
    .UART_rx     (uart_rx),

	.UART_tx     (uart_tx	)
);
endmodule

四、效果

FPGA串口输出测距信息

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五、总结

前面写过FPGA测距的数码管显示，STM32的测距串口输出，其实这篇文章的内容之前完成过。由于前面又学习了一边串口回环，所以又敲了一遍，实现一下FPGA的串口输出。虽然做过，但是还是折腾了一天，仿真、SignalTap II 抓了一下午的信号。但这次比上一次的理解更加深刻，收获更多。

六、参考资料

1、基于FPGA的超声波测距——数码管显示
2、源码：https://github.com/no1jiangjiang/HC-SR04_uart_FPGA