基于CPLD的超声波倒车雷达.doc

毕毕 业业 设设 计计 说说 明明 书书 题目题目： 基于 cpld 的超声波倒车雷达设计实现 二级学院（直属学部）： 专业： 班级： 0 学生姓名： 学号： 指导教师姓名： 职称： 评阅教师姓名： 职称： 2012 年 06 月 kc021-1 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 i 摘要摘要 倒车雷达全称叫倒车防撞雷达，也叫泊车辅助装置，是汽车泊车或者倒车时的安 全辅助装置。能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾 驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野 死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。 本文主要介绍了基于 cpld 的超声波倒车雷达的设计，仿真和调试。本文所设计的 倒车雷达可分为两部分：1.超声波测距部分：用超声波传感器做探头，用 cpld 控制， 获得障碍物的距离将数据输入控制芯片。 2.cpld 控制部分：cpld 控制芯片要实现分 频器，计数器，乘法器，译码器等功能。 本文所采用的是 altera 公司推出的 maxii 系列芯片的 zrtech corec-240u 开发 套件。使用 quartusii 进行软件的设计，所有的程序采用 vhdl 硬件描述语言，经过 仿真后下载到开发板上验证，调试到整个系统正常工作。 关键词：关键词：倒车雷达； cpld； 超声波测距； quartusii 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 ii abstract the backing car radar full name is backing car anti-collision radar also known as the parking assistant system, it is a safe auxiliary device when parking or reversing the car. it could make the driver known barriers around through the sound or a more intuitive display. it can solve the trouble of visit when the driver parking, reversing or starting the car. it can remove the vision dead ends and blurred vision to improve driving safe. this paper mainly introduces the design, simulation and test of backing car radar based on cpld. the backing car radar in this paper can divided into two parts:1. the part of ultrasonic distance measurement: using the ultrasonic sensors as probe, using cpld to control, when get the data from obstacles, put the data to the control chip. 2.cpld control part: cpld control chip should realize dividers, counters, multipliers and decoder functions. this paper using the developing package of zrtech corec-240u .it from the series of chip maxii made by altera. this paper using the quartusii software to designing and using the vhdl hardware language to writing all the programs. through simulations and tests until all the systems can work well. keywords: backing car radar； cpld； ultrasonic ranging； quartusii 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 iii 目录目录 摘要 .i abstract ii 目录 .iii 第 1 章 倒车雷达简介 1 1.1 课题的来源 1 1.2 倒车雷达原理 1 1.3 倒车雷达的发展 1 1.3.1 倒车雷达发展史 1 1.3.2 倒车雷达发展趋势 3 1.4 倒车雷达市场需求3 1.5 本章小结3 第 2 章 cpld 的介绍 4 2.1 可编程逻辑器件4 2.1.1 可编程逻辑器件的概述 4 2.1.2 可编程逻辑器件的分类 4 2.1.3 可编程逻辑器件的发展历程 4 2.2 cpld 与 fpga 的比较 5 2.2.1 cpld 与 fpga 的特点 5 2.2.2 cpld 与 fpga 的区别 6 2.3 开发板的介绍6 2.4 本章小结9 第 3 章 系统的硬件设计 .10 3.1 硬件的总体设计.10 3.2 maxii 系列芯片 epm240t100c5.11 3.2.1 芯片 epm240t100c5 的管脚图 11 3.2.2 芯片 epm240t100c5 的优点 11 3.3 超声波的发送和接收部分.12 3.3.1 超声波测距原理 .12 3.3.2 超声波传感器 .13 3.3.3 超声波发射和接收电路 .15 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 iv 3.3.4 实验过程中发射和接收到的波形 .16 3.4 报警模块.17 3.5 显示模块.18 3.6 电源模块.20 3.7 本章小结.21 第 4 章 系统的软件部分 .22 4.1 cpld 的设计流程 22 4.2 系统程序流程图.24 4.3 软件编译的各个模块.25 4.3.1 分频器模块 .25 4.3.2 显示模块 .27 4.3.3 乘法器模块 .28 4.3.4 计数器模块 .31 4.3.5 报警模块 .34 4.4 本章小结.34 第 5 章 调试部分 .35 5.1 软件部分的整合.35 5.2 软硬件的联合调试.36 5.3 本章小结.37 结论 38 致谢 39 参考文献 40 附录 a 42 附录 b 52 附录 c .55 第 1 章 倒车雷达简介 1 第第 1 1 章章 倒车雷达简介倒车雷达简介 倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”也叫“泊车辅助装置”是汽车泊车或者倒车时 的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头），控制器和显示器或蜂鸣器等部分组成。 能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒 车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模 糊的缺陷，提高驾驶的安全性。 1.11.1 课题的来源课题的来源 近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们的生活水 平的不断提高，我国的汽车的 数量正在逐年增加。同时汽车驾驶人员中，非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。 在公路、街道、停车场车库等拥挤、狭窄的地方倒车时、驾驶员既要前瞻、又要后顾、 稍微不小心就会发生汽车尾部碰撞事件。据有关调查统计， 15%的汽车碰撞事故是由 于倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此，增强汽车的后视能力，对于提高行车安 全，减轻司机的劳动强度和心理压力是十分重要的。有鉴于此，汽车倒车雷达应运而 生。倒车雷达的加装可以解决驾驶人员的后顾之忧，大大降低 了倒车事故的发生。 1.21.2 倒车雷达原理倒车雷达原理 倒车雷达的原理是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设 计开发的。通过感应装置发出超声波，然后通过反射回来的超声波来判断前方是否有 障碍物，以及障碍物的距离、大小、方向、形状等。只不过由于倒车雷达体积大小及 实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离，并做出提示。倒车雷达 是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周 围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰， 并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。 通常倒车雷达由超声波传感器、控制器和显示器或蜂鸣器等部分组成。倒车雷达 一般采用超声波测距原理，在控制器的控制下，由传感器发射超声波信号，当遇到障 碍物时，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理、判断出障 碍物的位置，由显示器显示距离并发出其他警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者 倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。 1.31.3 倒车雷达的发展倒车雷达的发展 1 1. .3 3. .1 1 倒倒车车雷雷达达发发展展史史 倒车雷达的快速发展始于 20 世纪末 21 世纪初，经过几年的时间，随着技术发展 和用户需求的变化，倒车雷达在几年的时间里大致经过了六代的演变。 第一代：倒车时通过喇叭提醒 。 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 2 “倒车请注意！”想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品， 现在只有小部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注 意。从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。 点评：汽车在倒车状态，语音提示路人小心，基本属于淘汰产品。 第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。 这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后 1.8 米-1.5 米处有障碍物，蜂 鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。 点评：没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障 碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。 第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围。 这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体， 在 1.8 米开始显示；如果是人，在 0.9 米左右的距离开始显示。这一代产品有两种显 示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表 安全距离，黄色代表警告距离，红色代表危险距离，必须停止倒车。 点评：第三代产品把数码和波段组合在一起，但比较实用，但安装在车内不太美 观。 第四代：液晶荧屏动态显示。 这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕显示开始出现动态显示系统。不用挂倒 档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。 点评：动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很 方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较 多。 第五代：魔幻镜倒车雷达。 结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制， 可全天候准确地测知 2 米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒 驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气 污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。 点评：因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内 倒视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。 第六代：无线倒车雷达。 全新无线液晶倒车雷达，融无线连接 、倒车雷达彩色液晶显示、bp 警示音、于一 体。由于普通倒车雷达安装时，从车后雷达主机到车前仪表台上 ，显示器要布一条线， 这样要拆装车内的装饰板、胶条等，非常不方便。现在最新推出的第六代无线液晶倒 车雷达，一举解决此问题，车后主机和显示器之间无线连接，方便快捷。更可在大巴、 卡车等车身长的车上使用，使安装更容易。 第 1 章 倒车雷达简介 3 1.3.21.3.2 倒车雷达发展趋势倒车雷达发展趋势 1.由加装向原装发展。越来越多的汽车在出厂时配有倒车雷达。 2.原装倒车雷达车型呈现高档 、中档、低档的发展态势。 3.由主流 4 探头向更多探头发展。 4.功能更加强大，集成音响和音像播放功能。 5.设备趋于小型化、人性化、智能化。 1.41.4 倒车雷达市场需求倒车雷达市场需求 根据所收集的资料分析，倒车雷达市场前景很好，需求量越来越大。 引起需求量 大增的原因有： 1.汽车销量增加。汽车产销量双超 1840 万辆汽车销量的增加，必然导致倒车雷达 需求量的增加。 2.车位少、停车难。单位和个人拥有车辆的增加使得市区和住宅小区停车位紧张， 停车越来越困难，碰撞时有发生。倒车雷达的使用有助于减少停车碰撞事件的发生。 3.女性驾驶员增多。多数女性驾驶员由于个子小或是胆子小，停车时会非常紧张， 因此越来越多的女性驾驶员开始喜欢上倒车雷达。 4.城市街道交通拥挤。随着汽车市场的繁荣，城市街道的行车越来越拥挤，倒车 雷达，尤其是多探头倒车雷达不仅能在倒车、泊车时提供倒车信息，还可以在行驶时 提供前后左右的信息，有助于安全行驶。 1.51.5 本章小结本章小结 通过查找相关资料，对倒车雷达的来源， 发展史，重要性，发展前景都有了很深 的认识。倒车雷达是根据超声波测距原理发展起来的，对于 解决驾驶员视野死角，减 少交通事故的发生，有着很大的作用。 第 2 章 cpld 的介绍 4 第第 2 2 章章 cpldcpld 的介绍的介绍 2.12.1 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 2.1.12.1.1 可编程逻辑器件的概述可编程逻辑器件的概述 pld（programmable logic device)可编程逻辑器件：pld 是做为一种通用集成电 路生产的，他的逻辑功能按照用户对器件编程来 定。一般的 pld 的集成度很高，足以 满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统 “集成”在一片 pld 上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。 2.1.22.1.2 可编程逻辑器件的分类可编程逻辑器件的分类 目前使用的 pld 产品主要有：1.现场可编程逻辑阵列 fpla（field programmable logic array)；2.可编程阵列逻辑 pal（programmable array logic)；3.通用阵列逻 辑 gal（generic array logic)；4.可擦除的可编程逻辑器件 epld（erasable programmable logic device)；5.现场可编程门阵列 fpga（field programmable gate array)。其中 epld 和 fpga 的集成度比较高。有时又把这两种器件称为高密度 pld。 2.1.32.1.3 可编程逻辑器件的发展历程可编程逻辑器件的发展历程 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身 在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超 大规模集成电路(vlsic，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是， 随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承 担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路 (asic)芯片，而且希望 asic 的设计 周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 asic 芯片，并且立即投入实际 应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件 (fpld)，其中应用最广泛的当属现场可编 程门阵列(fpga)和复杂可编程逻辑器件(cpld)。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器 (prom)、紫外线可擦除只读存贮器 (eprom)和电可擦除只读存贮器(eeprom)三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的 数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件 (pld)，它能 够完成各种数字逻辑功能。典型的 pld 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而 任意一个组合逻辑都可以用 “与或”表达式来描述，所以， pld 能以乘积和的形式完 成大量的组合逻辑功能。 20 世纪 80 年代中期。 altera 和 xilinx 分别推出了类似于 pal 结构的扩展型 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 5 cpld(complex programmab1e logic device)和与标准门阵列类似的 fpga(field programmable gate array)，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适 用范围宽等特点。 这两种器件兼容了 pld 和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电 路,编程也很灵活。与门阵列等其它 asic(application specific ic)相比，它们又具 有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定 以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产 (一般在 10,000 件以下)之中。几乎所有应用门阵列、 pld 和中小规模通用数字集成电路的场合 均可应用 fpga 和 cpld 器件。 2.22.2 cpldcpld 与与 fpgafpga 的比较的比较 2.2.12.2.1 cpldcpld 与与 fpgafpga 的特点的特点 fpga 是现场可编程逻辑门阵列的简称，是电子设计的一个里程碑。 cpld 是复杂 可编程逻辑器件的简称。尽管 fpga 和 cpld 都是可编程 asic 器件,有很多共同特点, 但由于 cpld 和 fpga 结构上的差异,具有各自的特点。 1.cpld 更适合完成各种算法和组合逻辑 ,fpga 更适合于完成时序逻辑。换句话说 , fpga 更适合于触发器丰富的结构 ,而 cpld 更适合于触发器有限而乘积项 较多的结构。 2.cpld 的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的 ,而 fpga 的分 段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。 3.在编程上 fpga 比 cpld 具有更大的灵活性。cpld 通过修改具有固定内连电路的 逻辑功能来编程,fpga 主要通过改变内部连线的布线来编程 ;fpga 可在逻辑门下编程, 而 cpld 是在逻辑块下编程。 4.fpga 的集成度比 cpld 高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 5.cpld 比 fpga 使用起来更方便。cpld 的编程采用 eeprom 或 fastflash 技术,无 需外部存储器芯片,使用简单。而 fpga 的编程信息需存放在外部存储器上 ,使用方法 复杂。 6.cpld 的速度比 fpga 快,并且具有较大的时间可预测性。这是由于 fpga 是门级 编程,并且 clb 之间采用分布式互联,而 cpld 是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互 联是集总式的。 7.在编程方式上,cpld 主要是基于 eeprom 或 flash 存储器编程,编程次数可达 1 万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。 cpld 又可分为在编程器上编程和在系统 编程两类。fpga 大部分是基于 sram 编程,编程信息在系统断电时丢失 ,每次上电时,需 从器件外部将编程数据重新写入 sram 中。其优点是可以编程任意次 ,可在工作中快速 编程,从而实现板级和系统级的动态配置。 8.cpld 保密性好,fpga 保密性差。 第 2 章 cpld 的介绍 6 9.一般情况下,cpld 的功耗要比 fpga 大,且集成度越高越明显。 2.2.22.2.2 cpldcpld 与与 fpgafpga 的区别的区别 cpld 主要是由可编程逻辑宏单元（ lmc，logic macro cell）围绕中心的可编程 互连矩阵单元组成，其中 lmc 逻辑结构较复杂，并具有复杂的 i/o 单元互连结构，可 由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于 cpld 内部采用固定长 度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分 段式互连结构时序不完全预测的缺点。到 90 年代，cpld 发展更为迅速，不仅具有电 擦除特性，而且出现了边缘扫描及在线可编程等高级特性。较常用的有 xinlinx 公司 的 epld 和 altera 公司的 cpld。 fpga 通常包含三类可编程资源：可编程逻辑功能块、可编程 i/o 块和可编程互连。 可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成一个阵列，散布于整 个芯片；可编程 i/o 块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列排列于芯 片四周；可编程内部互连包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各 个可编程逻辑块或 i/o 块连接起来，构成特定功能的电路。不同厂家生产的 fpga 在 可编程逻辑块的规模，内部互连线的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异。较 常用的有 altera、xinlinx 和 actel 公司的 fpga，fpga 一般用于逻辑仿真。电路设 计工程师设计一个电路首先要确定线路，然后进行软件模拟及 优化，以确认所设计电 路的功能及性能。然而随着电路规模的不断增大， 工作频率的不断提高，将会给电路 引入许多分布参数的影响，而这些影响用软件模拟的方法较难反映出来，所以有必要 做硬件仿真。fpga 就可以实现硬件仿真以做成模型机。将软件模拟后的线路经一定处 理后下载到 fpga，就可容易地得到一个模型机，从该模型机，设计者就很直观地测试 其逻辑功能及性能指标。 2.32.3 开发板的介绍开发板的介绍 zrtech corec-240u 开发套件采用 altera 公司推出的 maxii 系列芯片 epm240t100c5 作为核心处理器进行设计， maxii 系列芯片是目前市场上性价比最高的 cpld 芯片。所以 zrtech corec-240u 开发套件采用了该系列的芯片作为核心处理器， 为了使广大用户能够用最低的门框掌握数字逻辑设计，计算机组成原理，和 fpga/cpld 初步设计的思想与方法。 本开发套件价格低廉，产品质量高，为初学 fpga/cpld 设计的广大朋友们的首选。 下图为所买的开发板的核心板的实物图，从图 2-1 中可以清晰地看出，核心板所含有 的配件，对于每一个配件的位置都做了标记，可以使我们很轻松的找到配件的准确位 置，使我们对于配件的使用更加的方便快捷， 另外还配套有下载线，可以将我们编好 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 7 的程序下载到核心板上，进行程序的测试。 图 2-1 核心板器件介绍 该核心板由外部提供驱动电源，并提供了 2 排 slot 插槽用于连接外设板，其主要 硬件资源如下： 高性价比 cpld: maxii 系列 epm240ct100c5，板载 50mhz 有源晶振。 精心的去耦设计，采用大量去耦电容。 5v 直流电源插座 红色电源指示灯 电源开关，自锁按键 用户可编程 led 指示灯 用户可编程轻触按键 预留外部时钟接口 巧妙的核心板与子卡设计方式， 两个外设板插槽，可以同时插接两块外设板。 精心设计的保护面板与铜柱支架，美观大方， 又可以保护开发板。 cpld 器件 maxii 系列 epm240ct100c5 240les cpld 配置 jtag 烧写模式 时钟 板载 50m 有源晶振 电源 外部 5v 直流电源输入 下图 2-2 为所用到的外设板， 图中已经标明了个个器件的位置，对于我们使用开 发板是非常方便的。 第 2 章 cpld 的介绍 8 图 2-2 外设板器件介绍 该外设板子卡由核心板提供电源 ，其主要硬件资源如下： 电源指示灯 采用高亮度聚光贴片红色 led 发光二极管，指示外设板是否加电工作。 2x20 slot 接插座 用于接插核心板。 8 位 8 段共阳数码管 共阳 2 组，每组 4 位，采用 8550 三极管增强其驱动能力。 8 个 led 发光二极管 采用高亮度聚光贴片绿色 led 发光二极管，默认高电平点亮。 8 个独立轻触按键 高性能轻触按键，帮您实现不同触发、电平操作。 2 位拨码开关 两种常见的按键开关，帮您实现不同的功能要求。 蜂鸣器 可以实现简单报警与奏乐功能。 可调电位器 可以实现调节液晶屏的对比度 。 外部电源接口 可以实现外部供电。 开发板的配件比较全，这次设计中并不会全部用到。没有用到的配件可以在以后 的其他的设计中用到，也可以自己探索着去使用。 我们将该板的插槽与核心板的插槽 连接起来，就做好了电路的控制部分和显示，报警模块的硬件部分的设计，下面只需 要焊接一个超声波的发射和接收板就完成了全部的硬件设计了。采用开发板节省了 很 多时间，方便快捷，使我有更多时间进行 对超声波的发射和接收部分的设计，焊接和 测试过程。 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 9 2.42.4 本章小结本章小结 本章介绍了 cpld 是什么，cpld 和 fpga 的区别和特点。通过对 cpld 的介绍我加 深了对设计的理解，通过讨论 cpld 和 fpga 的特点，我对 cpld 的优点有了了解。本 章还介绍了设计所用到的开发板 的型号，开发板的具体配置，以及一些优点。开发板 的使用为我解决了一些硬件部分的设计， 开发板的使用是明智的选择 。 第 3 章 系统的硬件设计 10 第第 3 3 章章 系统的硬件设计系统的硬件设计 3.13.1 硬件的总体设计硬件的总体设计 图 3-1 超声波倒车雷达的设计结构 从图 3-1 中可以看出超声波倒车雷达的设计被划分为了几个小块， 超声波的发射 模块是负责发射出超声波的，超声波接收模块是负责接收超声波的，接收到的回波强 度有所衰减，需要进行放大和比较后才能被 cpld 核心板识别，显示模块是用来显示出 计算出来的距离的，cpld 核心部分是用来进行控制 的。报警模块是对设定的预警值进 行报警的。其中显示模块和报警模块，由于开发板上有数码管和蜂鸣器所以不需要自 己焊接，超声波发送模块和超声波接收模块自己找资料 ，设计出可行的电路图，购买 元器件，进行焊接和测试。 cpld 核心部分用 altera 公司推出的 maxii 系列芯片 epm240t100c5 作为核心处理器， 显示模块用数码管显示出数字就可以了，报警模块用蜂鸣器发出警报声即可。 由 于所买的开发板上有数码管和蜂鸣器所以不需要自己买材料焊接，超声波发送和接收 模块开发板上没有附带需要自己设计 ，买材料来焊接测试。下面开始介绍各个模块的 具体硬件设计。 cpld 核心部 分 超声波 发送模 块 超声波 接收模 块 放大比较 显示模 块 报警模 块 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 11 3.23.2 maxiimaxii 系列芯片系列芯片 epm240t100c5epm240t100c5 3.2.13.2.1 芯片芯片 epm240t100c5epm240t100c5 的管脚图的管脚图 图 3-2 epm240t100c5 的管脚图 芯片 epm240t100c5 的原理图如上图 3-2 所示，芯片有 100 个引脚，芯片的管脚 分配具体分配情况请看附录。 芯片控制晶振发出 40khz 的超声波信号，输出管脚被我设定为管脚 82，得到的回 波信号我设定为从管脚 42 输入芯片。具体的控制芯片的程序会在软件部分详细介绍。 3.2.23.2.2 芯片芯片 epm240t100c5epm240t100c5 的优点的优点 1.altera max ii 器件具有新的 cpld 体系结构，打破了典型 cpld 的成本、容量 和功耗限制。 2.max ii cpld 具有 cpld 业界最低的动态功耗，只有以前 max cpld 的十分之 一。 3.max ii 器件提供 8 kbits 用户可访问 flash 存储器，可用于片内串行或并行 非易失存储。 4.max ii 器件支持用户在器件工作时对闪存配置进行更新。 5.max ii 器件支持多种单端 i/o 接口标准，例如 lvttl、lvcmos 和 pci 。 6.max ii 器件含有 jtag 模块，可以利用并行 flash 加载宏功能来配置非 jtag 第 3 章 系统的硬件设计 12 兼容器件，例如分立闪存器件等。 3.33.3 超声波的发送和接收部分超声波的发送和接收部分 3.3.13.3.1 超声波测距原理超声波测距原理 1.1.超声波的介绍超声波的介绍 超声波是频率高于 20000hz 的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的 声能,在水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医 学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限 而得名。 科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫磁 (hz)。我们人 类耳朵能听到的声波频率为 20hz20000hz。当声波的振动频率大于 20khz 或小于 20hz 时,我们便听不见了。因此，我们把频率高于 20000hz 的声波称为“超声波” 。 理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比， 超声波在介质中传播时， 介质质点振动的频率很高，因而能量很大 。在中国北方干燥 的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再 用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度 .这就是超声波加湿器的原理.如 咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位 .利用加湿器的原理， 把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效 .利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结 石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应 用非常广泛，像现在的彩超、 b 超、碎石（例如胆结石、肾结石、祛眼袋之类的） ， 还能破坏细菌结构，对物品进行杀菌消毒。 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其 平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动 状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000hz 以上的，其每秒的振动次数（频率） 很高，超出了人耳听觉的一般上限（ 20000hz） ， 人们将这种听不见的声波叫做超声波。 超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点 都是一种机械振动模式，通常以 纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播 形式，其不同点是超声波频率高， 波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射 性和方向性，目前腹部超 生成像所用的频率范围在 25mhz 之间，常用为 33.5mhz（每秒振动 1 次为 1hz，1mhz=106hz,即每秒振动 100 万次，可闻波的频率在 1620000hz 之间） 。 超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有 本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声 波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性 ：超声波的波长很短，通常的障碍物的 尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 13 定向直线传播，超声波的波长越短，该特 性就越显著。功率特性：当声音在空气中传 播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的 物理量。在相同强度下，声波的频率越高， 它所具有的功率就越大。由于超声波频率 很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。 空化作用：当超声波在液 体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速 胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压 的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌 作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化 学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。 研究频率高于 20khz 的声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声 学分支叫超声波。产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等） 、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸 缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。 2.2.超声波测距超声波测距 超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用 于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。 通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的 时间差就可以知道 距离了。这与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻 的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收 器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记 录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 s，即：s=340t/2 3.3.23.3.2 超声波传感器超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高 于声波的机械波，由晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、 绕射现象小，特别是方向性好、能够成为 射线而定向传播等特点。超声波对液体、固 体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波 碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。 因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就 是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 下图所展示的是一对普通 的探头，其中一个为发射超声波的探头，一个为接收超声波的探头，这两个探头所 持 有的固有频率是一样的，只有这样才能在发射出一定频率的超声波之后还能接受到相 同频率的超声波的回波信号。本次设计中所用的探头是和下图 3-3 所示一样的探头。 第 3 章 系统的硬件设计 14 图 3-3 探头 1.1.组成部分组成部分 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功 率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头 、 兰姆波、双探头等。 2.2.性能指标性能指标 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料 可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同 的。 3.3.工作频率工作频率 工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共 振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 超声波传感器主要材料有 压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。 电致伸缩的材料有锆钛酸铅（ pzt）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感 器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变 成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。 这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作 频率一般为 2325khz 及 4045khz。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。 超声波传感器由发送传感器 (或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制 部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用 直径为 15mm 左右的陶瓷振子换 能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超 声波能量并向空中辐射； 而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其 变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超 声波进行检测。而实际使 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 15 用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的 陶瓷振子。控制部分 主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。 3.3.33.3.3 超声波发射和接收电路超声波发射和接收电路 超声波发射和接收电路如下图 3-4 所示。超声波发射部份由电阻 r1、超声波发送 探头 t 组成；接收电路由 bg1、bg2 和 bg3 组成的三级放大器组成；检波电路、比较 整形电路由 c3、d1、d2 及 bg4 组成。 40khz 的方波由芯片 epm240t100c5 的管脚 82 发出，加载到发送超声波的探头 上， 驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回 来的回波被超声波接收探头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波 形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输入 到芯片 epm240t100c5 的管脚 42，只 有这样芯片才能对信号进行分析和处理 。 该测距电路的 40khz 方波信号由芯片 epm240t100c5 的管脚 82 发出，连接到超声 波发射的探头上，发射出 40khz 的超声波。由于开发板所提供的是 50mhz 的晶振，并 不能满足使用的要求，需要对晶振进行分频，分频是用软件编程来产生我们所用到的 频率的。经过分频后产生了 40.5khz 和 37.3khz 的方波。本设计在编程时选用了后者， 让芯片 epm240t100c5 产生约 37.3khz 的方波。具体的原因是探头在 40.5khz 下不能 工作，经过调试在 37.3khz 下能正常工作所以选择 37.3khz 的方波。关于分频的部分 会在软件部分具体的介绍。 下图 3-4 为所要焊接的超声波测距发送和接收电路图 c 1 104 v cc b g2 9013 r 4 4.7k r 6 150k c 2 104 b g1 9013 r 2 4.7k r 5 150k in 4148 d 1 in 4148 d 2 b g3 9013 b g4 9013 r 3 4.7k r 1 1k r 7 150k c 3 104 t r in o ut2 图 3-4 超声波测距发送和接收电路图 由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电 路如图 3-4 所示。接收到的信号加到 bg1、bg2 和 bg3 组成的三级放大器上进行放大。 每级放大器的放大倍数为 50 倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多 个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是 in4148 检波二极管，输出的直流信号 即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度较低 。将最后 得到的信号输入到芯片中就可以对信号进行处理和分析了。 第 3 章 系统的硬件设计 16 3.3.43.3.4 实验过程中发射和接收到的波形实验过程中发射和接收到的波形 1.1.发射出的波形发射出的波形 图 3-5 发射出的波形 上图为 in 点测得的波形，从图中可以看出，超声波发射器发射出的是 37.3khz 的方波。电压的峰峰值时 3.88v。 2.2.接收到的波形接收到的波形 图 3-6 接收到的波形 上图 3-6 为 bg1 点测得的波形，从图中可以看出接收到的是 37.3khz 的正弦波， 电压的峰峰值时 1.44v。和上图对比可以看出波形的频率没有变化，但是波形的形状， 电压都有了变化，此时的波形不能被芯片识别需要进行放大， 再将波形经过后面三极 管的放大，得到电压的峰峰值大于 5v 的正弦波或方波，这样才能被开发板芯片所识别。 经过最后的测试得到了输入芯片的电压的峰峰值为 5.60v 的方波。会在附录 b 中给出 具体的波形图。 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 17 3.43.4 报警模块报警模块 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，它广泛应用于计算机、打印机、复印机、 报警器、电话机等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为电磁式蜂鸣器和压电式蜂 鸣器两种类型。 电磁式蜂鸣器（图 3-7）由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。 接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动 膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性振动发声。 图 3-7 电磁式蜂鸣器 压电式蜂鸣器（图 3-8）主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、 外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后 (1.515v 直流工作 电压)，多谐振荡器起振，输出 1.52.5khz 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片 发声。 图 3-8 压电式蜂鸣器 本开发板采用的是 3.3v 电磁式蜂鸣器。上面已经介绍了，蜂鸣器发声原理是电流 通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能 驱动它。一般的电磁式蜂鸣器的驱动电流为 30100ma，直接使用 cpld 的 io 引脚驱动 的话，声音会不够响亮，因此需要增加一个电流放大的电路。本外设板通过一个三极 管 8550 来驱动蜂鸣器，具体的原理图如下所示： 第 3 章 系统的硬件设计 18 3.3v r 1 1k spea k er 2p85 50 b ee p q 1 fm 1 g nd 图 3-9 蜂鸣器电路 如上图 3-9 所示，三极管的发射极接到 vcc(+3.3v)电源上面，蜂鸣器的正极接到 三极管的集电极，三极管的基级 b 经过限流电阻 r1 后由 cpld 的 i/o(beep)控制。当 输出高电平时，三极管 q1 截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声 ；当 beep 为低电 平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程 序控制 cpld 上与 beep 管脚相连的 i/o 的输出电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。 3.53.5 显示模块显示模块 数码管按各发光二极管电极的连接方式分为共阳数码管和共阴数码管两种。八段 数码管每一段为一发光二极管，共有 ag 以及,小数点 dp 八个发光二极管。将八段数 码管中的每个二极管的阴极并联在一起，组成公共阴极端。这样把共阴极管脚接地， 此时哪个管脚输入高电平，对应发光二极管就被点亮。反之将八段数码管中的每个二 极管的阳极并联在一起，组成公共阳极端。此时哪个管脚输入低电平，对应发光二极 管就被点亮。下图分别为单个数码管的原理图与两种连接方式。 图 3-10 数码管原理图 上图 3-10 为数码管的原理图，从图中可以看出数码管显示数据是由 ag 着几个二 极管的点亮和关闭来控制的。 a bf c g d e d py1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 19 图 3-11 共阴极和共阳极数码管 上图 3-11 左边为共阴极的数码管，右边为共阳极的数码管 。 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们 要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态显示和动态显示两类。 1.静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段 码都由一个 cpld 的 i/o