Verilog 实现超声波测距

教学视频： https://www.bilibili.com/video/BV1Ve411x75W?p=33&spm_id_from=pageDriver&vd_source=19ae31dff4056e52d2729a4ca212602b

超声波测距原理

参考资料：STM32的超声波测距程序_超声波测距stm32程序_VaderZhang的博客-CSDN博客

推荐一波自己的文章：STM32蓝牙控制循迹避障小车源代码——3.舵机、超声波测距模块_stem32超声波舵机代码_灵风_Brend的博客-CSDN博客

• 超声波模块工作原理：
  输出TRIG触发测距，需要给最少10us的高电平信呈；
  模块自动发送8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回；
  有信号返回，通过IO口ECHO输出高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间；
  测试距离=高电平持续时间*声速/2

需求分析与功能定义：

• 每隔100ms时间，定时产生10us时间的TRIG高脉冲给到超声波测距模块，用于触发超声波测距模块工作
• 采集回响信号ECHO的高脉冲保持时间
• 将ECHO高脉冲保持时间换算成距离信息：s = 0.173*t
• 人机交互

代码思路：（详细教学可以看最上面的链接）

代码组成：

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vlg_en ：输出clk_en信号，对输入时钟clk做分频计数，产生1us的时钟使能信号（计数单位为us）

module vlg_en #(parameter P_CLK_PERIORD = 20	//clk的时钟周期为20ms
)
( input 		clk,input 		rst_n,output reg 	clk_en
);localparam P_DIVCLK_MAX = 1000/P_CLK_PERIORD - 1;	//分频计数器的最大值
reg [7:0] r_divcnt;///
//对输入时钟clk做分频计数，产生1us的时钟使能信号
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_divcnt <= 8'b0;else if(r_divcnt < P_DIVCLK_MAX)r_divcnt <= r_divcnt + 1'b1;elser_divcnt <= 8'b0;
end///
//产生时钟使能信号
always @(posedge clk) beginif(r_divcnt == P_DIVCLK_MAX)clk_en <= 1'b1;elseclk_en <= 1'b0;
endendmodule

vlg_tirg ：每隔100ms时间，定时产生10us时间的TRIG高脉冲给到超声波测距模块，用于触发超声波测距模块工作

module vlg_tirg
( input 		clk,input 		rst_n,input 		clk_en,output reg 	trig
);localparam P_TRIG_PERIORD_MAX = 100_000 - 1;	//100ms计数最大值
localparam P_TRIG_HIGH_MAX = 10;			//10us高脉冲保持时间reg [16:0] tricnt;///
//100ms周期计数
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)tricnt <= 'b0;else if(clk_en)beginif(tricnt < P_TRIG_PERIORD_MAX)tricnt <= tricnt + 1'b1;elsetricnt <= 'b0;end		
end///
//产生保持10us的trig信号
always @(posedge clk) beginif((tricnt > 'b0)&&(tricnt <= P_TRIG_HIGH_MAX))trig <= 1'b1;elsetrig <= 1'b0;
endendmodule

上面两个信号的波形展示：

vlg_echo : 采集回响信号ECHO的高脉冲保持时间。（echo信号的高电平保持时间即为超声波往返的时间）

module vlg_echo
( input 		clk,input 		rst_n,input 		clk_en,input 		echo,output reg [15:0] t_us
);reg [1:0] r_echo;
wire pos_echo,neg_echo;
reg cnt_en;
reg [15:0] echo_cnt;///
//对echo信号锁存两拍，获取边沿检测信号，产生计数使能信号cnt_en
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)r_echo <= 'b0;elser_echo <= {r_echo[0],echo};	//高位锁存，低位移位	
endassign pos_echo = ~r_echo[1] & r_echo[0];
assign neg_echo = r_echo[1] & ~r_echo[0];always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)cnt_en <= 'b0;else if(pos_echo)cnt_en <= 1'b1;else if(neg_echo)cnt_en <= 1'b0;else ;
end///
//对echo信号的高电平保持时间进行1us为单位的计数
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)echo_cnt <= 'b0;else if(!cnt_en)echo_cnt <= 'b0;else if(clk_en)echo_cnt <= echo_cnt + 1'b1;else ;
end	///
//对echo_cnt计数最大值做锁存
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)t_us <= 'b0;else if(neg_echo)t_us <= echo_cnt;
endendmodule

cal ：将时间计算为距离。测试距离=高电平持续时间 * 声速/2。 （s = 0.173*t）

module cal
( input 		clk,input 		rst_n,input [15:0] t_us,output [14:0] s_mm
);/*	s=0.173*ts*4096=0.173*t*4096=709*t	 避免小数部分s=709*t/4096=709*t>>12709实现方法:  1)乘法器2)709=512+128+64+4+1本代码使用乘法器来实现。直接调用乘法器IP核
*/
wire [25:0] mult_result;mult_gen_0 u_mult_gen_0 (.CLK(clk),  // input wire CLK.A(10'd709),      // input wire [9 : 0] A.B(t_us),      // input wire [15 : 0] B.P(mult_result)      // output wire [25 : 0] P
);assign s_mm = mult_result[25:12];endmodule

顶层文件 vlg_top

module vlg_top(input 	clk,input 	rst_n,output 	trig
);localparam P_CLK_PERIORD = 20;//接口声明
reg clk;
reg rst_n;
reg echo;wire clk_en;
wire trig;
wire [15:0] t_us;
wire [14:0] s_mm;//使能时钟产生模块
vlg_en #(.P_CLK_PERIORD (P_CLK_PERIORD)	//clk的时钟周期为20ns
)
u_vlg_en( .clk 		(clk),.rst_n 		(rst_n),.clk_en 	(clk_en)
);//产生触发信号trig
vlg_tirg u_vlg_tirg(.clk	(clk),.rst_n	(rst_n),.clk_en	(clk_en),.trig   (trig)
);//测距模块的回响信号echo的高电平采集时间
vlg_echo u_vlg_echo(.clk	(clk),.rst_n	(rst_n),.clk_en	(clk_en),.echo	(echo),.t_us   (t_us)
);//乘法器，计算距离
cal u_cal(.clk	(clk),.rst_n	(rst_n),.t_us	(t_us),.s_mm   (s_mm)
);endmodule

调用乘法器IP核

点击IP核，输入MUL，进行下面的操作：

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TB文件

`timescale 1ns/1psmodule tb_top();reg clk;
reg rst_n;
reg echo;wire [14:0] s_mm;vlg_top u_vlg_top(.clk	(clk),.rst_n	(rst_n),.trig   (trig)
);//产生时钟
initial clk = 1;
always #10 clk = ~clk;//测试激励产生
initial beginrst_n = 0;echo = 0;#200;rst_n = 1;end//函数实现 s=0.173*t
function real function_t2s;input real t;beginfunction_t2s = 0.173*t;end
endfunctioninteger tricnt = 0;
integer dly_time;always @(posedge trig)begintricnt = tricnt + 1;#5000;echo = 1;dly_time = 11+{$random}%26011;		//11<t<26011#500;$display("test %0d:\n dly_time=%0d us\n s=%0d mm\n",tricnt,dly_time,s_mm,function_t2s(dly_time));#(dly_time*1000);echo = 0;
endendmodule

仿真结果

• 仿真波形

• 结果