基于FPGA的超声波避障系统设计

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1、西南民族大学学报·自然科学版第32卷第4期July2006__________________JournalofSouthwestUniversit_________________yforNationalities__________________⋅NaturalScienceEdition______________文章编号：1003-2843(2006)04-0774-04基于FPGA的超声波避障系统设计肖顺文，陈亚军(西华师范大学物理与电子信息学院，四川南充637002)摘要：设计了一种新型的汽车入库避障系统.该系统采用超声波测距原理，利用FPGA丰富的查找表结构完成

2、算法.可随时根据实际检测或实验的数据更新查找表，降低系统偏差.采用动态扫描方式将测量结果实时地显示出来，实时检测与障碍物的警戒距离并报警.关键词：FPGA；超声波传感器；避障系统中图分类号：U46文献标识码：A超声波具有定向性好、能量消耗缓慢、在传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点，超声波传感器广泛应用于非接触式检测中，利用超声波检测比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制.FPGA器件高集成、高速度、低功耗、体积小，有丰富的查找表(LUT)资源，可以克服模拟器件抗干扰性差的缺点,在数字电路的设[1-4][5]计中得到广泛的应用.基于FPGA的ASIC设计灵活方便，性价比高

3、.本设计利用超声波传感器给FPGA提供足够精确的汽车位置信息，系统精确地将汽车与左、右、尾部障碍物的距离计算并显示出来，供驾驶人员在车库、野外泊车或其它情况下判断汽车与周围障碍物的距离.当汽车与左、右、尾部障碍物的距离超过设定的警戒距离时，则实时报警.1测距原理超声波在空气中的传播速度主要与空气的压力与温度有关，正常条件下由于大气压力变化很小，因此其传播速度主要考虑温度T的影响，在空气中传播速度v为：v=331.5+0.607T(m／s)(1)超声波测距是将声波信号由超声波发射器发出，在发射的同时计时器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到

4、反射波时计时器就立即停止计时.根据计时器记录的时间就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即S=vt/2(2)其中v为超声波在空气中的传播速度，t为发射、接收信号的时间差.2系统结构系统结构原理框图如图l所示.该系统由超声波发射/接收电路、分频/控制电路、首波检测电路、计数电路、查找表、米/分米/厘米分离电路、动态扫描及显示电路组成.设计显示精度为1/100m,最大显示为9.99m.FPGA___________________________收稿日期：2006-03-30作者简介：肖顺文(1970-)，男，讲师，西华师范大学物理与电子信息学院硕士研究生.陈亚军(1966-)，男，

5、西华师范大学物理与电子信息学院教授，硕士研究生导师，主要从事嵌入式应用、AT神经网络的研究.基金项目：四川省教育厅科研基金重点项目（2004A102）__________________第4期_________________肖顺文等：基于FPGA的超声波避障系统设计________________________________775是整个系统的核心部件，协调各部件的工作.clkclk1功率放大FPGAclk2clk1分频/控制电路左路发射器警戒cp1三路三路距离左路接收器计数首波cp2检测三路查找表器电检测信号放大报警cp3cp1路电路脉冲产生clk2三路米/分米/厘米分离

6、电路右/尾路发射/接收电路七段译码器九进制位选择器计数器9个七段数码管位译码器图l系统原理框图2.1硬件设计2.1.1超声波传感器的发射/接收电路超声波传感器的发射/接收电路主要有两部分：(1)超声波发送部分；(2)超声波接收部分.发射器采用TCT40-2F，对超声波发送部分的要求主要有以下几方面：(1)必须具备频率恒为40kHz的振荡源；(2)输出功率恒定的功率放大：(3)振荡源可控.超声波发送部分40kHz的振荡源由系统时钟经分频电路产生；功率放大电路由晶体三极管及脉冲升压变压器组成.接收器采用TCT40-2S，接收电路如图2所示，图中U1、U2为高速运算放大LF356，U

7、3为比较器LM339.当接收到超声波信号时，首先经过U1放大，再经U2进一步放大后，经过比较器U3形成脉冲信号.调节电位器RW2可以调节比较电压，使得比较器的输出端在没有信号时始终为低电平.图2接收电路2.1.2FPGA控制部分FPGA是整个系统的核心部件，协调各部件的工作.分频器产生40kHz的频率信号用来驱动超声波传感器，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，n为计数器计数脉冲个数(用二进制数).查找表电路将脉