超聲測距作為一種非接觸測量技術 ，由于其性能好，價格低廉，使用方便，被廣泛應用于工業測量，車輛障礙物避免，安全警告，自動導航和機器人領域等領域。 然而，在超聲波測距的實際應用中有很多局限性，特別是在具體工作環境下，如何提高超聲波測距精度和量程需要進一步研究，對于超聲波檢測技術的發展具有重要的應用意義。 目前市場上大量的超聲波測距系統是基于傳統SCM作為信號發生器來產生驅動信號的，而成本低，但測量超聲波傳感器的通行時間的驅動精度和效率， 測量精度不能令人滿意。 作為一種高密度可編程器件，FPGA具有運行速度快，內部資源豐富的特點，為開發高性能超聲波測距傳感器提供了新的方案。 因此，本文設計了一種基于FPGA的超聲波測距系統。 超聲波測距的核心是超聲波信號的收發器，本文通過分析傳統SCM內部指令運行時間存在時間延遲誤差，由于其精度不能滿足精密測量設計缺陷的要求，超聲波測距硬件 系統在FPGA上，結合超高速設計采用FPGA軟件對全局時鐘信號進行分頻處理，實現了超聲波驅動信號中心頻率的精確控制; 并采用頻率計數方式通過時間實現超聲波的精確測量，測量精度高。

　　科技飛速發展時至今日，超聲波測距廣泛應用于工業，農業，交通，環保，安全，能源測量等科學領域，超聲波測距的測量精度，測量距離，可靠性等監測性能指標并控制提高系統的精度和可靠性，提高生產效率，促進科技的發展非常重要。隨著經濟的飛速發展，交通運輸系統越來越嚴重，交通安全問題越來越受到重視。近年來，大雨，霧or夜駕駛等船舶運輸頻繁發生事故常常導致航道知名度下降，碰撞事故減少。超聲波測距技術具有黑暗，灰塵，煙霧等惡劣環境正常工作的特點，引進超聲波測距系統可以減輕運輸可行的超聲波測距系統，設計結構的問題有所不同，性能差異也是不同。目前市面上主流的超聲波測距系統主要是以8位或16位微控制器為主要芯片，生成驅動信號，并負責接收和處理回波，控制實際通訊。這種治療成本降低，但測量精度，測量距離以及受控制能力的時間限制。超聲波測距的核心是超聲波信號的收發器，傳統的單片機內部指令運行時間存在時間延遲誤差，精度不能滿足精度測量要求，FPGA（現場可編程門陣列）的設計被引入超聲波測距系統的設計，利用其較高的運行速度和豐富的片內資源，取代單片機，提高對超聲波工作頻率的控制精度以及對超聲波收發渡越時間的測量精度。

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array現場可編程門陣列）是近年來廣泛應用的超大規模、超高速的可編程邏輯器件，由于其集成度高（單門數字系統與數千萬門）和高速（200MHz以上）相結合，在線系統編程的優勢為數字系統設計帶來突破，芯片數字系統設計與自動化，完善設計周期，設計靈活性和可靠性單數字系統。它在超高速信號處理和實時測量和控制中具有廣泛的應用。由于超聲波的方向性強，能量消耗緩慢，距離遠離介質，經常用于距離測量3。主要用于逆變雷達，測距儀，液位測量，移動機器人設計，建筑施工現場等一些工業領域，如距離，水平，深度，管道長度，流量等。超聲波檢測的使用往往更多快速，方便，計算簡單，易于實現實時控制，測量精度可以滿足工業應用的要求，因此已被廣泛應用。

　　當物體振動時發出聲音。科學家們稱每秒鐘頻率為每秒的振動次數。我們的人耳可以聽到20?20000Hz的聲波頻率。當聲波的振動頻率大于20000Hz或小于20Hz時，聽不到聲音。因此，我們稱頻率高于20000Hz超聲波“16J”。超聲波和聲音本質上是一樣的，它們有一個共同的機械振動，通常在彈性介質中是縱向的，能量是一種通訊形式，區別在于超聲波的高頻和短波長。超聲波是彈性介質中的一種機械振蕩，傳播速度僅為光源的百分之一，垂直分辨率更高。超聲波對顏色，光強度，環境光和電磁場不敏感，分析物在黑暗，灰塵或煙霧中，超聲波強大的電磁干擾，有毒等不利環境具有很強的適應能力。由于超聲波能量消耗較慢，中距離傳播，聲速在一個較大的范圍內，與頻率無關，超聲波的獨特優點被認為是軍工，行業，交通中的測距技術的良好選擇，數字電子設備的三種基本類型是存儲器，微處理器和邏輯器件。邏輯器件提供接口，數據通信，信號處理，數據顯示，定時和控制操作以及系統操作等各種功能。它可以分為兩類：固定邏輯器件和可編程邏輯器件。固定邏輯器件中的電路是永久性的，用于執行一個或多個功能。可編程邏輯器件可以隨時在這些器件上進行修改，以完成各種不同的功能。

　　可編程邏輯器件英文全稱為：programmable logic device即PLD。PLD作為通用集成電路生成，其邏輯功能根據用戶的設備編程確定。兩種主要類型是：現場可編程門陣列（FPGA）和復雜可編程邏輯器件（CPLD），這兩種類型的可編程邏輯器件的結構不同。大多數CPLD都是基于產品術語的結構，FPGA是基于查找表的結構，所以FPGA更適合于觸發器的豐富結構，而CPLD更適合于結構化觸發器的有限和乘積。與固定邏輯器件相比，可編程邏輯器件的優點包括以下幾個方面：

　　1.在設計過程中為可編程邏輯器件提供更大的靈活性，重復設計只需改變編程文件即可更改，并可立即在設備工作中看到設計結果。

　　2.不需要很長的交付時間來創建原型或正式產品，因為可編程邏輯器件在市場上非常活躍，易于購買。

　　3.不需要客戶支付一次性工程成本高（非經常性工程，NRE）和購買昂貴的面罩組，因為在相同的芯片中重復編程，實現不同的功能，因此可以延長產品的生命周期，以分攤花費在芯片上花費的成本。

　　4.允許客戶在必要時訂購所需數量，以便客戶控制庫存。

　　5.可以用可編程邏輯器件進行重新編程，為設備和升級添加新功能，只需將新的編程文件下載到可編程邏輯器件，就可以在硬件邏輯中創建一個新的系統。

　　6.個知識產權（IP）核心圖書館的支持越來越多。用戶可以使用這些預定義和預先測試的軟件模塊來快速實現可編程邏輯器件中的系統功能。

　　人們可以聽到聲音頻率為20Hz?20kHz，超出了聲音的聲音范圍，語音，20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，聲音超過20kHz，稱為超聲波，說頻率范圍為100Hz?8kHz。

　　可編程邏輯器件的價值在于其能夠大大縮短電子產品制造商的開發周期，節

　　約開發成本，隨著可編程邏輯器件集成度的提高，成本的降低，更多口核的面市，可編程邏輯器件一定會在數字設計領域進一步普及。用硬件語言編程，沒有指令控制系統，控制能力較弱。但具有很強的時序控制能力和邏輯組合能力，對于通信接口特別是高速接口可以將不同速率不同協議的耦合和橋接。運行速率約為幾百兆赫茲，采用外部晶振的頻率可超過100MHz。整個系統的核心部分是超聲波的收發控制端和信號處理部分，正是出于這種考慮現在主流的設計是采用單片機做為主控芯片負責產生超聲波驅動信號并對回波進行數據處理，控制現實輸出119之0。定超聲波驅動信號的效果。同時對于會波信號的處理，和整個超聲波測距總計時，超聲波周期的精確時間是一個重要的參數。對于驅動信號頻率的嚴格控制，總計時的時間控制，是系統高性能保障重要條件.FPGA是在CPLD的基礎上發展起來的新型高性能可編程邏輯器件，它一般采用SRAM工藝，也有一些專用器件采用flash工藝或反熔絲（Anti．Fuse）工藝等。FPGA的集成度很高，其器件密度從數萬系統門到千萬系統門不等，可以完成及其復雜的時序與組合邏輯電路功能，適用于高速，高密度的高端數字邏輯電路設計領域。FPGA的基本組成部分有可編程輸入／輸出單元，基本可編程邏輯單元，嵌入式塊RAM，豐富的布線資源，底層嵌入功能單元，內嵌專用硬核等。

　　人們可以聽到的聲音頻率為20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，聲音超過20kHz，稱為超聲波，說頻率范圍為100Hz?8kHz。

　　超聲波傳輸線頻率越高，衍射能力越弱，反射超聲波性能越強，可用于制造超聲波傳感器5。此外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，約為340m/s，這使得超聲波傳感器的使用變得非常簡單。

　　超聲波傳感器設置有發射器和接收器，但也可以使用超聲波傳感器來發送和接收聲波。超聲波傳感器一般市場上銷售一種特殊類型和兩用型，特殊類型用于傳輸超聲波發射器，接收器用于接收超聲波發射器和接收器;并且是集成傳感器，可以發送和接收超聲波超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率（中心頻率）為23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。諧振頻率越高，檢測距離越短，分辨率越高。

　　超聲波傳感器是基于壓電效應的原理，壓電效應具有逆效應，超聲波傳感器的作用是可逆元件，超聲波發射器采用壓電反效應原理。所謂的反壓電效應，如圖1-1所示，是施加在壓電元件上的電壓，元件變形，即應變。如果壓電陶瓷的極化電壓極性如圖1-2所示，則外部正電荷極化和壓電陶瓷正電荷排斥，同時，外極化負電荷和負電荷排斥。由于壓電陶瓷的排斥效應在厚度方向上縮短，長度方向的伸長率。如果外部極性的極性反轉，壓電陶瓷在厚度方向上延伸并沿長度方向縮短。

　　超聲波傳感器采用雙晶振蕩器，即兩個壓電陶瓷片沿相反的極化方向粘合在一起。在雙晶振子的兩面上涂敷薄膜電極，該雙電晶振子通過金屬板（振動板）通過引線與電極端連接。雙晶振子是正方形的，方形的左右兩側由弧形凸部支撐。這兩個樞軸成為振動振動的節點。金屬板的中心具有錐形振動器。發送超聲波，錐形振蕩器具有較強的方向性，可有效發送超聲波;在振動器中心接收超聲波，超聲波振動，因此高頻電壓產生高效率。

　　超聲波傳感器采用雙晶振蕩器，如果在雙晶振子發射器（諧振頻率40kHz）的高頻電壓下施加40kHz，壓電陶瓷在高頻電壓下的極性伸長和縮短，并可以發送40kHz的超聲波頻率。超聲波以密集波的形式傳輸并傳輸到超聲波接收器。超聲波接收機是壓電效應的原理，也就是在壓電元件的特定方向施加壓力，發生元件應變，導致正極側，另一側為負電壓。如果接收到的超聲波發射機，振蕩器發射超聲頻率振動，從而產生高頻電壓和超聲波頻率，當然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。