实验题目：基于 FPGA 的超声测距系统设计

1. 课程简要信息

课程名称：数字电路及数字系统
课程学时：48 学时（课内） $+ 2 4$ 学时（课外）
本实验案例学时：8 学时
适用专业：电子信息工程
学生年级：二年级上学期

2. 实验内容与任务

设计一个基于 FPGA 的超声测距系统，实现对传感器技术、模拟电路、数字电路的综合运用，提高数模混合系统设计调试的能力，提高综合运用课程所学知识的能力。

基本要求：

（1）测距范围： $5 \mathrm { c m } { \sim } 1 0 0 \mathrm { c m }$ ；
（2）测量误差：绝对值在 $2 \mathrm { c m }$ 以内;

实验基础内容：

（1）基于 555 振荡器的超声发射模块设计；
（2）基于时间增益调整/阈值电压自动调整的超声接收模块设计；
（3）基于 FPGA 的计时/显示模块。

实验扩展内容：

（1）测量距离范围: $3 { \sim } 1 7 0 \mathrm { c m }$ ，最远可测距离越远越好，此外，在不增加测量误差的前提下，尽量减小近端测量盲区;（2）减小测量误差至 1cm以内，越小越好;（3）增加温度测量及补偿;（4）不同距离用不同颜色 LED 灯标示;（5）增加声音报警功能(报警范围及方式自定义);

3. 实验过程及要求

本实验要求学生利用所学的模拟电路，数字电路，传感器，FPGA 等相关知识，每人一组单独完成完成电路的设计、安装及调试。

（1）根据任务要求，确定设计方案，选择相应元器件型号及参数；

（2）分模块进行电路调试，主要包括超声波发射模块，接收模块和计时/显示模块；

（3）完成系统联调，反复修改尝试，直到满足设计要求；

（4）撰写设计报告；

（5）学有余力的同学完成实验扩展内容，减小测量盲区，提高测距范围和精度。

4. 相关知识及背景

本课程是电子信息类专业基础课，先导课程包括电工电子工程基础，模拟电路，数字电路等，教学目的是使学生综合应用模拟、数字电路知识，通过多个模块电路的设计加强对理论知识的理解和电子制作方法的掌握，然后基于已设计的各独立模块，完成一个具有一定规模的复杂电子系统的规划、设计和实现。课程过程中涉及系统设计、电路设计、电路制作、电路调试、系统联调等电子技术专业的基础实践技能和方法，从而锻炼学生理论应用能力、电路设计能力、系统规划能力。并通过分组联调、项目展示等方式，锻炼学生的演讲、交流沟通、团队协作等综合素质。

5. 教学目标与目的

（1）综合应用能力培养。以专题综合系统的设计为主线，将模拟电路、数字电路等课程中的相关内容融会贯通，熟悉从信号检测、信号调理、信号测量至结果呈现等电子系统工作原理及系统结构。

（2）了解与学习电子系统的常规工程设计方法，从应用场景提炼设计指标，根据设计指标完成电路模块化设计、参数计算、选择元器件，进而完成电路设计。

（3）熟练使用 Multisim/icircuit 等相关工具软件，学会软、硬件联调及系统分析等综合技能，独立撰写项目报告。

（4）具有电子技术领域文献检索、应用能力，初步的表达、呈现和交流能力。

（5）具有初步的团队合作、组织协调的能力，初步的分析、总结的能力。

6. 教学设计与引导

以针对系统进行整体方案设计为重点，以单独划分的模块电路设计为主要内容开展实验教学，建立学生的系统观念并理解电路在系统的功能定位，通过各模块功能和指标的设计，掌握系统规划能力；通过元器件选择、电路制作、调试等方式，强化电路认知和电路制作能力。

在教学过程中，利用 PPT、实验装置、演示实验等方式讲解目标系统的构成和指标性能。通过分解模块降低学生入门初期的难度，并加强学生对教学内容的理解。设置课外制作环节，培养学生自主统筹安排实验进程和课内外学习时间的能力。

本课程通过下列教学环节来对学生需要掌握的知识、技能和素质进行训练和考查，促使学生通过本课程的学习能够顺利达成课程目标：

（1） 课程导论：通过导论课程，对综合实验的开展过程、选题、方案拟定、元器件申领、设计制作、调试验收、结题答辩等过程进行详细说明；
（2） 基础实验：对主要模块设计的实验内容，专门设备基础实验，这类型的实验既是系统的一部分，又为学生入门提供引导；
（3） 设计讨论：针对部分模块或者部分同学的设计，拿出来作为案例进行讨论，从而将大家的设计思路拓展，并培养方案对比意识；
（4） 作品演示：综合作品需要自我讲解，向老师和同学展示作品的主要特性；
（5） 答辩环节：在完成作品演示的基础上，对作品的实现过程，综合实验的开展过程，所选方案的性能分析，实现效果的评估等方面做进一步讨论；（可选）
（6） 作品报告。

7. 实验原理及方案

（1）实验基本原理

超声波测距系统主要包括超声波发射单元、超声波接收信号调理电路、渡越时间测量单元、显示单元等部分组成。超声波发射器发射超声波，经过障碍物反射被超声波接收器所接收， 开始发射到开始接收之间的时间的差值就是超声波在空气中的渡越时间 t 。根据 $\scriptstyle \mathbf { s } = \mathbf { v } \mathbf { t } / 2$ （v为超声波在空气中的声速）， 就可以得出测量点与被测障碍物之间的距离 。超声波测距系统的工作原理和时序分别

如图 1 和图 2 所示。

图 1 系统工作原理示意图

图2 超声波测距波形时序图

（2）实现方案

图 3 超声波测距系统硬件结构图

实验实现方案如图3所示。电源单元电路基于7805芯片构成，用于将直流电压源给出的 $+ 1 0 \mathrm { V }$ 电压转换为 $+ 5 \mathrm { V }$ 直流电压对74LS02芯片进行供电。

脉冲发生电路基于 555 多谐振荡器构成，用于产生频率为超声换能器共振频率的高频振荡信号和用于测距的长周期调制信号。555 振荡器输出波形的频率和占空比可调，通过调节电路中的元器件参数，以满足测距需求。

信号调制电路采用模拟开关 CD4052 构成，其稳定性好，电路简单，功耗小，通断状态分明，能满足本系统对于调制信号的需求。

功率放大电路采用基于 LM386 集成功率放大器的放大电路，用于产生更大的驱动功率，增强发射超声换能器的超声波强度，其对于整个电路的测试性能有比较大的影响。

整个接收电路由接收二级放大电路、检波电路、电压比较电路、渡越时间测量电路组成。

接受二级放大电路又分为两级放大，由两级集成运放组成，不同距离反射回来的回波信号幅之不同，随着超声波传输距离的增加，回波信号幅值一般呈指数衰减，因此为保持稳定的回波信号，距离近时，放大倍数应较小，距离远时，放大倍数应较大。系统通过采用时间增益补偿（TGC）/比较器渐变阈值实现了这一功能，提高了系统测量精度和稳定性，同时也减小了测量盲区。

检波电路由一低通滤波电路构成，用于滤掉高频成分，从而可以得到解调波形，可用其高电平来指示接收波形的到达时间。

电压比较电路用单限比较器来设计，基于UA741芯片，采用同相输入，设置合适的比较电压，将检波得到的波形的高电平规整为标准的矩形波。

渡越时间测量电路由基于 74LS02 的 SR 锁存器组成，用于检测发射脉冲上升沿与接收信号上升沿间的时间差。

测得渡越时间后将信号分压后输入FPGA ，利用编程实现对于距离的计算以及误差的拟合。

8. 教学实施进程

本实验是一个比较完整的电子系统设计，能够很好的锻炼学生的工程思维能力和电路设计能力，

需要经历需求分析、方案论证、整体方案设计、电路设计、电路焊接、电路调试修改、设计总结等过程。其教学进程安排如下如表 1 所示。

表 1 教学安排进程

实验完成后，进行成果展示和答辩验收，分享不同的解决方案和解决问题的方法，交流心得和体会。

该课程支持课外开放实验，为学生参加电子设计竞赛打下基础。图 4-图 7 为实验结果和教学实施过程。

图 4 发射接收波形

图 5 焊接电路板

图 6 作品测试

图7 学生作品验收

9. 实验报告要求

实验报告内容主要包括方案论证、电路设计与原理图、测试方法、测试结果及分析、实验总结与心得和参考文献等。

实验报告务必详实完整，数据必须真实，尤其要记录实验过程中遇到的问题和实验现象，解决方法，自己的体会与收获等。

10.考核要求与方法

考核环节包括平时成绩和期末考试成绩，总评成绩以百分计。各考核环节所占分值比例建议值及考核细则如下：

表 2 成绩评定标准

11.实验特色或创新

（1）本实验是一个综合系统实验，工程性很强，可以全面考察学生综合运用所学知识的能力。

（2）对学生的知识要求涵盖了数字电路、模拟电路、FPGA、传感与控制等方面，加强了学生的电路设计、电路理解、编程等能力，培养学生软件硬件相结合的能力。

（3）本实验是学生入学以来的第一个综合性实验，实现了从基础性实验向系统性实验的过渡，为后续实验课程的学习打下了坚实的基础。

参赛信息表