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前言

环境

1. 硬件 DE2-115 HC-SR04超声波传感器

2. 软件 Quartus 18.1

目标结果

使用DE2-115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。

模拟倒车雷达，集成蜂鸣器，led和vga提示功能

1. 蜂鸣器提示，小于20cm，1s一响；小于10cm，0.5s一响；
2. LED提示，小于20cm， 全亮提示 ；
3. VGA提示，小于20cm ，显示 警告warning 图片

小tips:
VSCODE插件安装一波

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一、实验原理

1.1 传感器概述：

HC-SR04超声波距离传感器的核心是两个超声波传感器。一个用作发射器，将电信号转换为40 KHz超声波脉冲。接收器监听发射的脉冲。如果接收到它们，它将产生一个输出脉冲，其宽度可用于确定脉冲传播的距离。就是如此简单！该传感器体积小，易于在任何机器人项目中使用，并提供2厘米至400厘米（约1英寸至13英尺）之间出色的非接触范围检测，精度为3mm。

1.2 传感器引脚

• VCC 是HC-SR04超声波距离传感器的电源

• Trig 引脚用于触发超声波脉冲

• Echo 回声当接收到反射信号时，引脚产生一个脉冲。脉冲的长度与检测发射信号所需的时间成正比

• GND 用于接地

1.3 传感器工作原理

当持续时间至少为10 µS（10微秒）的脉冲施加到触发引脚时，一切就开始了。响应于此，传感器以40 KHz发射八个脉冲的声音脉冲。这种8脉冲模式使设备的“超声特征”变得独一无二，从而使接收器能够将发射模式与环境超声噪声区分开。八个超声波脉冲通过空气传播，远离发射器。同时，回声引脚变为高电平，开始形成回声信号的开始。如果这些脉冲没有被反射回来，则回波信号将在38毫秒后超时并返回低电平。因此38 ms的脉冲表示在传感器范围内没有阻塞。
如果这些脉冲被反射回去，则在收到信号后，Echo引脚就会变低。这会产生一个脉冲，其宽度在150 µS至25 mS之间变化，具体取决于接收信号所花费时间。

HC-SR04的时序图如下：

通过时序图我们可以知道，我们给HC-SR04发送长达 10us 的TTL脉冲，然后模块就会进行测距，测距的结果通过回响信号传达，回响的TTL电平信号时间即是超声波从HC-SR04模块发出，触碰到障碍物后返回到HC-SR04模块的时间总和。

TTL是逻辑电平标准，当电压达到2.4V-5V之间，那么为逻辑1（高电平），电压在0V~0.4V之间，那么为逻辑0（低电平）。所以我们可以直接通过GPIO口来输出以及输入时序所需的电平信号。

然后，将接收到的脉冲的宽度用于计算到反射物体的距离。这可以通过我们在初中学到的简单的距离-速度-时间方程来解决。

距离=速度x时间 ，当然温度，以及环境噪声等对实验结果都有影响，因此公式应在不同环境下进行修改

总所周知，声音的速度为340m/s，因此我们将回响电平的时间除340再除2之后得到的就是单位为米的测距结果。

1.4 整体测距原理及编写思路

编写思路：

以上时序图表明我们只需要提供一个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。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。公式：uS/58=厘米或者uS/148=英寸；或是：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2：建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

结合说明书我们可以知道，我们仅需提供10us的高电平给Trig口即可。然后HC-SR04在测量完毕之后会将结果通过Echo回响回来。

所以我们只需要将Trig口拉高，等待10us（最好再延长一些，代码中用的是15us）后再拉低即可。

接着就只需要等待Echo将数据传输回来，通过时序图我们可以得知回响信号是拉高Echo口，再拉低，中间持续的时间就是测距的结果。

所以我们给Echo口配置一个中断事件，设置为上跳变下跳变都触发，另外再用一个变量记录Echo口到底是拉高还是拉低即可。

如果是拉高，那么我们需要记录下持续的时间，这时候我们需要用定时器计时，所以需要在一开始的时候就配置好定时器的初始化。唯一的问题就是该如何配置定时器的预分频器和自动重装器了。

根据说明书我们可以知道HC-SR04的精度为3mm，而测距的公式为 us/58-cm，稍加计算可知，如果我们需要测量3mm，那么得到的时间为17.4us，以此为一个刻度，那么定时器的频率应该为57471Hz。然而这样太麻烦了，而且也不好用，因此我们可以随意一些，我在代码中使用的是预分频器为72，自动重装器为100，那么得到的频率为72MHz/72/100=1000Hz，也就是一次定时器中断的时间为100us，而自动重装器里的每一个值就是1us，所以每次外部中断的下降沿触发之后只需要将定时器触发的次数*100再加上自动重装器里的值就可以得到回响信号的持续时间了，单位是us。

二、System-Verilog文件

2.1 时钟分频

（1）clk_div.sv

定义时钟分频模块，产生周期为1us的时钟信号
clk_div.sv

// //产生一个以微秒为周期的时钟信号clk_us，该信号可用于驱动一些需要精确时间控制的电路
module clk_div(input logic Clk,           // 输入系统时钟，50MHzinput logic Rst_n,         // 输入复位信号，低电平有效output logic clk_us        // 输出微秒级时钟信号
);// 参数声明 1us = 1000ns = 50个时钟周期parameter int CNT_MAX = 19'd50;  //1us的计数值为 50 * Tclk（20ns）// 内部线网/寄存器声明logic [18:0] cnt;          // 定义一个19位的计数器logic add_cnt;             // 计数器使能信号logic end_cnt;             // 计数器结束信号，达到最大值时有效// 计数器的寄存器逻辑always_ff @(posedge Clk, negedge Rst_n) beginif (!Rst_n) begin       // 如果复位信号有效，则计数器清零cnt <= '0; endelse if (add_cnt) begin // 如果计数器达到最大值，则计数器重置if (end_cnt) begincnt <= '0; endelse begin          // 否则计数器继续计数cnt <= cnt + 1'b1; endendelse begincnt <= cnt;         // 如果计数器未使能，则保持当前值endend// 赋值计数器使能信号，始终使计数器有效assign add_cnt = 1'b1; // 赋值计数器结束信号，当计数器使能并且计数值达到CNT_MAX - 1时有效assign end_cnt = add_cnt && cnt >= CNT_MAX - 19'd1;// 赋值输出时钟信号，当计数器达到最大值时输出一个脉冲assign clk_us = end_cnt;endmodule

2.2 超声波测距

• 实现HC-SR04超声波传感器的触发模块，用于生成触发测距信号（trig）
• 定义HC-SR04超声波传感器的回声模块，用于测量距离并输出检测距离数据（data_o）

（1）hc_sr_trig.sv

hc_sr_trig.sv:

// hc_sr_trig 模块定义开始，用于生成超声波触发信号
//   Description  ﹕超声波触发测距模块
// 波形周期 300ms，前 15us 高电平
module hc_sr_trig (input logic clk_us,    // 输入 1MHz 系统时钟input logic Rst_n,     // 输入复位信号，低电平有效output logic trig      // 输出触发测距信号
);// 参数声明 300_000*1_000ns = 3 *10^8ns = 0.3s = 300ms// 波形周期 300ms，前 10us 高电平// 建议测量周期为 60ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响。parameter int CYCLE_MAX = 19'd300_000; // 定义触发信号的一个周期计数，基于 1MHz 时钟// 内部线网/寄存器声明logic [18:0] cnt;       // 计数器，用于生成触发信号的时间控制logic add_cnt;          // 计数器使能信号logic end_cnt;          // 计数器结束信号，达到预定义周期时有效// 计数器逻辑，用于控制触发信号的产生always_ff @(posedge clk_us, negedge Rst_n) beginif (!Rst_n) begin    // 如果复位信号有效，则计数器清零cnt <= '0;end else if (add_cnt) begin  // 如果计数器使能if (end_cnt) begin       // 如果计数器达到预定义的最大周期cnt <= '0;           // 计数器重置end else begincnt <= cnt + 1'b1;   // 否则计数器递增endend else begincnt <= cnt;              // 如果计数器未使能，则保持当前值endendassign add_cnt = 1'b1;           // 赋值计数器使能信号，始终使计数器有效assign end_cnt = add_cnt && (cnt == CYCLE_MAX - 9'd1); // 赋值计数器结束信号，当计数器值达到 CYCLE_MAX - 1 时有效// 赋值触发信号，当计数器值小于 15 时，输出高电平，作为触发// cnt < 15 置为高电平，表示前 15us 为高电平，作为触发信号// 此逻辑基于 HC-SR04 模块的触发信号需求，通常为 10 微秒的高电平assign trig = (cnt < 15) ? 1'b1 : 1'b0;/*计数器 cnt 用于生成持续一定时间的触发信号 trig。当计数器小于 15 时，trig 为高电平，表示触发信号是活跃的。计数器在每个 1MHz 时钟的上升沿递增，当计数器达到设定的最大周期 CYCLE_MAX 时，计数器重置，重新开始计数。这样，trig 信号就会周期性地输出高电平脉冲，以满足 HC-SR04 超声波传感器的触发需求。*/endmodule

（2）hc_sr_echo.sv

hc_sr_echo.sv

// 处理HC-SR04超声波传感器的回声信号，并计算距离
//   Description  ﹕超声波检测距离模块
// 本模块理论测试距离 2cm~510cm
// 输出结果保留两位小数
module hc_sr_echo
(input logic Clk,        // 输入50MHz时钟信号input logic clk_us,     // 输入1MHz系统时钟信号input logic Rst_n,      // 输入复位信号，低电平有效input logic echo,       // 输入超声波回声信号output logic [18:0] data_o  // 输出检测到的距离，以厘米为单位，保留三位小数
);/* 		S(um) = 17 * t 		-->  x.abc cm	*/
//Parameter Declarationsparameter T_MAX = 16'd60_000; // 定义计数器的最大值，对应510厘米logic r1_echo, r2_echo;  // 用于边沿检测的寄存器logic echo_pos, echo_neg;  // 回声信号的上升沿和下降logic [15:0] cnt;  // 1MHz时钟下的计数器，用于测量回声脉冲宽度logic add_cnt;  // 计数器使能信号logic end_cnt;  // 计数器结束信号logic [18:0] data_r;  // 距离数据的中间寄存器// 逻辑描述// 使用50MHz时钟检测回声信号的边沿，以避免使用1MHz时钟导致的2us延时always_ff @(posedge Clk or negedge Rst_n) beginif (!Rst_n) beginr1_echo <= 1'b0;r2_echo <= 1'b0;endelse beginr1_echo <= echo;r2_echo <= r1_echo;endend// 产生上升沿和下降沿信号assign echo_pos = r1_echo & ~r2_echo;  // 回声信号上升沿assign echo_neg = ~r1_echo & r2_echo;  // 回声信号下降沿// 计数器逻辑，用于测量回声脉冲宽度always_ff @(posedge clk_us or negedge Rst_n) beginif (!Rst_n) begincnt <= '0; endelse if (add_cnt) beginif (end_cnt) begincnt <= cnt;  // 如果达到最大测量范围，则保持当前计数值endelse begincnt <= cnt + 1'b1; // 否则计数器递增endendelse begin  // 如果回声信号低电平，计数器归零cnt <= '0;endendassign add_cnt = echo; // 赋值计数器使能信号，当回声信号为高电平时使能计数器assign end_cnt = add_cnt && cnt >= T_MAX - 1; //赋值计数器结束信号，当计数器达到最大值T_MAX时有效 超出最大测量范围则保持不变，极限// 测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;// 距离数据处理逻辑，将计数值转换为距离always_ff @(posedge Clk or negedge Rst_n) beginif (!Rst_n) begindata_r <= 'd2;  // 复位时中间寄存器置为2，用于小数点后三位的计算endelse if (echo_neg) begin// 当回声信号下降沿到来时，将计数值左移四位并加上自身，实现小数点后三位的计算//t = cnt*1000ns = cnt*10-6s//s = 340*t mdata_r <= (cnt << 4) + cnt;endelse begindata_r <= data_r;  // 否则保持当前值endend// 将中间寄存器的数据右移一位，实现除以2的操作，得到最终的距离数据assign data_o = data_r >> 1;endmodule

2.3 数码管驱动

查看平台手册，发现DE2-115开发板不涉及位选信号，每个段选信号都有一个单独的引脚。
数码管驱动器模块代码如下，用于将输入的数据（data_o）转换为对应的数码管显示：

（1）seg_driver.sv

seg_driver:

// seg_driver模块用于驱动七段显示器，显示数字或特定的符号。
module seg_driver(input   logic       Clk,     // 输入的时钟信号。input   logic       Rst_n,   // 低电平有效的复位信号。input   logic [18:0] data_o, // 输入的数字数据，这里假设是测得的距离数据。output  logic [6:0]  hex1,   // 第1个七段显示器的段选信号输出。output  logic [6:0]  hex2,   // 第2个...output  logic [6:0]  hex3,output  logic [6:0]  hex4,output  logic [6:0]  hex5,output  logic [6:0]  hex6,output  logic [6:0]  hex7,output  logic [6:0]  hex8     
);// 参数定义区，定义了特殊显示值和小数点的编码，以及计数器的最大值。
parameter NOTION  = 4'd10,  // 定义数字"10"用于消隐的编码。FUSHU   = 4'd11,  // 定义数字"11"用作小数点的编码。MAX20us = 10'd1000; // 定义20微秒计数器的最大值。// 寄存器声明区，声明了用于控制和显示数字的内部寄存器。
logic [9:0]   cnt_20us;  // 用于动态扫描定时的20微秒计数器。
logic [7:0]   sel_r;     // 动态扫描控制的片选信号寄存器。
logic [3:0]   number;    // 要显示的数字，范围0-9或特殊编码。
logic [6:0]   seg_r;     // 根据number解析得到的七段显示器段选编码。// 每个七段显示器的段选编码寄存器，用于存储最终输出到显示器的段选编码。
logic [6:0]   hex1_r,   hex2_r,   hex3_r,   hex4_r,   hex5_r,   hex6_r,   hex7_r,   hex8_r;// 20微秒计数器始终块，用于周期性地重置计数器来实现动态扫描。
always_ff @(posedge Clk or negedge Rst_n) beginif (!Rst_n) begincnt_20us <= 0;  // 复位时计数器清零。endelse if (cnt_20us == (MAX20us - 1)) begincnt_20us <= 0;  // 计数器达到最大值时重置。endelse begincnt_20us <= cnt_20us + 1;  // 否则计数器递增。end
end// 动态扫描控制始终块，用于生成选择当前激活的七段显示器的片选信号。
always_ff @(posedge Clk or negedge Rst_n) beginif (!Rst_n) beginsel_r <= 8'b11_11_11_10;  // 复位时初始化片选信号。endelse if (cnt_20us == (MAX20us - 1)) beginsel_r <= {sel_r[6:0], sel_r[7]};  // 计数器达到最大值时，片选信号左移循环。endelse beginsel_r <= sel_r;  // 否则保持当前片选信号不变。end
end// 组合逻辑块，根据片选信号sel_r获取要显示的数字。
always_comb begincase (sel_r)// 根据sel_r的值选择对应的数字或特殊编码。// 这些编码对应于输入数据data_o的不同部分。// ...（此处省略了部分case语句）default: number = 4'd0;  // 默认情况下不显示任何数字。endcase
end// 组合逻辑块，根据数字解析出对应的七段显示器段选值seg_r。
always_comb begincase (number)// 对应数字0-9的七段显示器编码。// ...（此处省略了部分case语句）NOTION: seg_r = 7'b111_1111;  // 消隐编码，所有段都不亮。FUSHU: seg_r = 7'b011_1111;  // 小数点编码，只点亮小数点部分。default: seg_r = 7'b111_1111;  // 默认消隐。endcase
end// 组合逻辑块，根据片选信号sel_r将seg_r值赋给对应的七段显示器寄存器。
always_comb begin// 初始化所有寄存器为消隐状态。hex1_r = 7'b111_1111;hex2_r = 7'b111_1111;hex3_r = 7'b111_1111;hex4_r = 7'b111_1111;hex5_r = 7'b111_1111;hex6_r = 7'b111_1111;hex7_r = 7'b111_1111;hex8_r = 7'b111_1111;// 根据当前选中的显示器，将seg_r的值赋给对应的寄存器。case (sel_r)8'b11_11_11_10: hex1_r = seg_r;8'b11_11_11_01: hex2_r = seg_r;// ...（此处省略了部分case语句）default: ;endcase
end// 将寄存器的值通过assign语句输出到端口，连接到外部的七段显示器硬件。
assign  hex1 = hex1_r;
assign  hex2 = hex2_r;
assign  hex3 = hex3_r;
assign  hex4 = hex4_r;
assign  hex5 = hex5_r;
assign  hex6 = hex6_r;
assign  hex7 = hex7_r;
assign  hex8 = hex8_r;endmodule

2.4 VGA驱动

（1）vga_dirve.sv

vga_dirve.sv:

module vga_dirve (input logic clk,            // 系统时钟input logic rst_n,          // 复位input logic [23:0] rgb_data, // 16位RGB对应值output logic vga_clk,    // vga时钟 25Moutput logic h_sync,     // 行同步信号output logic v_sync,     // 场同步信号output logic [11:0] addr_h, // 行地址output logic [11:0] addr_v,  // 列地址output logic [7:0] rgb_r,  // 红基色output logic [7:0] rgb_g,  // 绿基色output logic [7:0] rgb_b  // 蓝基色
);// 640 * 480 60HZ
localparam int H_FRONT = 16; // 行同步前沿信号周期长
localparam int H_SYNC = 96;  // 行同步信号周期长
localparam int H_BLACK = 48; // 行同步后沿信号周期长
localparam int H_ACT = 640;   // 行显示周期长
localparam int V_FRONT = 11; // 场同步前沿信号周期长
localparam int V_SYNC = 2;   // 场同步信号周期长
localparam int V_BLACK = 31; // 场同步后沿信号周期长
localparam int V_ACT = 480;  // 场显示周期长// 800 * 600 72HZ (已注释，使用640*480)
// ...localparam int H_TOTAL = H_FRONT + H_SYNC + H_BLACK + H_ACT; // 行周期
localparam int V_TOTAL = V_FRONT + V_SYNC + V_BLACK + V_ACT; // 列周期logic [11:0] cnt_h; // 行计数器
logic [11:0] cnt_v; // 场计数器
logic [23:0] rgb;  // 对应显示颜色值// 对应计数器开始、结束、计数信号
logic flag_enable_cnt_h, flag_clear_cnt_h, flag_enable_cnt_v, flag_clear_cnt_v, flag_add_cnt_v, valid_area;// 25M时钟 行周期*场周期*刷新率 = 800 * 525* 60
logic clk_25;
// 50M时钟 1040 * 666 * 72
// ...// PLL实例化生成时钟
pll pll_inst (.areset(~rst_n),.inclk0(clk),.c0(clk_50), // 50M.c1(clk_25)  // 25M
);// 根据不同分配率选择不同频率时钟
assign vga_clk = clk_25;// 行计数
always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begincnt_h <= 0;end else if (flag_enable_cnt_h) begincnt_h <= flag_clear_cnt_h ? 0 : cnt_h + 1;end
end// 行同步信号
always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginh_sync <= 0;end else if (cnt_h == H_SYNC - 1) beginh_sync <= 1;end else if (flag_clear_cnt_h) beginh_sync <= 0;end
end// 场计数
always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begincnt_v <= 0;end else if (flag_enable_cnt_v) begincnt_v <= flag_clear_cnt_v ? 0 : cnt_v + flag_add_cnt_v;end
end// 场同步信号
always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginv_sync <= 0;end else if (cnt_v == V_SYNC - 1) beginv_sync <= 1;end else if (flag_clear_cnt_v) beginv_sync <= 0;end
end// 对应有效区域行地址 1-640
always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginaddr_h <= 0;end else if (valid_area) beginaddr_h <= cnt_h - H_SYNC - H_BLACK + 1;end
end// 对应有效区域列地址 1-480
always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginaddr_v <= 0;end else if (valid_area) beginaddr_v <= cnt_v - V_SYNC - V_BLACK + 1;end
end// 有效显示区域
assign valid_area = cnt_h >= H_SYNC + H_BLACK && cnt_h <= H_SYNC + H_BLACK + H_ACT &&cnt_v >= V_SYNC + V_BLACK && cnt_v <= V_SYNC + V_BLACK + V_ACT;// 显示颜色
always_ff @(posedge vga_clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginrgb <= 24'b0;end else if (valid_area) beginrgb <= rgb_data;end
endassign rgb_r = rgb[23:16];
assign rgb_g = rgb[15:8];
assign rgb_b = rgb[7:0];endmodule // vga_dirve

三、实现过程

3.1 模块说明

这里要求超声波模块的正负极分别接入5V和GND，其余trigger和echo自由接线，我这里使用的是GPIO[0]和GPIO[1]

3.2 引脚分配

首先这里提出引脚配置，其中trig和echo引脚与自己所接线的位置向同即可

配置文件如下：

三、演示视频

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总结

在本项目中，我成功实现了基于FPGA DE2-115开发板的HC-SR04超声波测距模块。通过使用SystemVerilog语言，我们设计并实现了时钟分频、超声波测距、数码管驱动以及VGA驱动等多个关键模块。这些模块协同工作，实现了超声波测距的基本功能，并将测量结果显示在数码管上，同时集成了蜂鸣器、LED和VGA提示功能，增强了用户体验。

关键实现点：

1. 时钟分频模块 (clk_div.sv)：生成周期为1us的时钟信号，为系统提供精确的时间控制。
2. 超声波测距模块 (hc_sr_trig.sv 和 hc_sr_echo.sv)：负责触发测距信号并处理回声信号，计算出距离。
3. 数码管驱动模块 (seg_driver.sv)：将测得的距离数据转换为数码管可以显示的格式。
4. VGA驱动模块 (vga_dirve.sv)：负责生成VGA信号，并在屏幕上显示警告图片，提供视觉反馈。

集成功能：

1. 蜂鸣器提示，小于20cm，1s一响；小于10cm，0.5s一响；
2. LED提示，小于20cm， 全亮提示 ；
3. VGA提示，小于20cm ，显示 警告warning 图片

测试与验证：
通过在DE2-115开发板上的实际测试，我们验证了系统的测距功能和各种提示功能的准确性。展示了超声波测距模块的基本实现和扩展应用的可能性。

结论：
本项目不仅加深了对FPGA和SystemVerilog的理解，而且通过实际应用提高了解决实际问题的能力。虽然在实现过程中参考了前辈的代码，但能够补全并改进代码，对我来说是一次宝贵的学习和成长经历。期待在未来的项目中继续探索和创新。

参考

FPGA基于DE2-115 开发板板和HC_SR04驱动的超声波测距

基于DE2 115开发板驱动HC_SR04超声波测距模块