数字系统实验——第14

编程入门行业动态更新时间:2024-10-23 12:25:03

数字系统实验——第14

数字系统实验--第14-15周任务（大综合1、2）

任务书
- 0．简介
- 1.传感器数字采集系统实验-1
- - 1.C级任务（80%）
- 2.传感器数字采集系统实验2
- - B级任务（90%）
综合实验——传感器数字采集系统
- 实验目标：
- 实验资源：
传感器数字采集系统实验-1
- 一、超声波测距基本知识
- - 1、了解超声波测距工程的演示与测量过程:
  - 2、仔细看trig和echo信号的示波器波形，对其进行分析，了解其计算过程并说明；
- 二、在Proteus上用SRF04传感器、蜂鸣器BUZZER和和数字电路芯片设计一个能单次启动测距系统的电路。
- - 纯数字电路实现的简单版本
  - 【想法（可略过）】
  - 【设计思路】
  - 【功能验证】
传感器数字采集系统实验-2
- 一、距离测量的原理
- 二、各个部件的详细实现
- - 【自循环计数器】
  - 【回响计数器】
  - 【数码管扫描频率和显示数据刷新时间时钟源】
  - 【单音频率和间隔的时钟源】
  - 【输入输出数据与控制信号设计】
  - 【仿真结果】
  - 【分析】

工程：链接：
提取码：0ev5
仅供参考

任务书

0．简介

初步设计一个复杂数字系统-传感器数字采集系统，理解扩展接口的超声波测距和通用USB-TTL串口电路原理；实现其实作模块功能验证；分层次编写VHDL完成系统模块优化方案，验证平台，FPGA串口与PC上位机软件（可选），并验证调试

1.传感器数字采集系统实验-1

时间：1周
步骤：
阅读实验教材综合设计的概述部分P215基本原理。
阅读服务器网络课程资源中的目标板。
查阅相关网络资源。
实操：

1.C级任务（80%）

阅读教材、观察传感器视频（两组特定距离的trig和echo的示波器捕获波形），认识超声波测距传感器工作原理，在Proteus上用SRF04传感器、蜂鸣器BUZZER和数字电路芯片设计一个能单次启动测距系统电路。参考视频见课程网页内容，如下：

要求：
分析波形、计算距离并说明。
数码管上显示出距离远近程度（8位距离采样值）
蜂鸣器能根据距离远近发出多种不同频率组合声音。

步骤：
①课程网页上提供了proteus8.8，卸载自己电脑中原来安装的低于8.8版本的proteus，安装高于8.8版本的proteus8.8。

安装时注意点如下：
卸载原来的proteus安装新版本时，除了卸载原有的软件之外，还须删除注册表中的信息：删除注册表HKEY_LOCAL_MACHINE下的SOFTWARE中Labcenter Electronics选项，在该选项上点击鼠标右键，再选择“删除”；如不在该路径下，则查找HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\WOW6432Node中的Labcenter Electronics选项，在该选项上点击鼠标右键，再选择“删除”。

②观看视频，了解整个超声波测距工程的演示与测量过程，对超声波测距传感器的工作原理进行整体认知；
③仔细看trig和echo信号的示波器波形，对其进行分析，了解其计算过程并说明；

④在Proteus上用SRF04传感器、蜂鸣器BUZZER和和数字电路芯片设计一个能单次启动测距系统的电路。
⑤该电路（proteus完成的）用数码管显示出距离远近程度（8位距离采样值）。参考上周的数码管数据显示的proteus工程。
⑥加入蜂鸣器能根据距离远近发出多种不同频率组合声音。
实验板上实例中蜂鸣器实际声音的波形图参考如下：
蜂鸣器波形具有间歇式单音波形特点如第二张图所示，第一张是第二张的高频局部放大图。改变单音间歇时间可以调节蜂鸣器音效的缓急程度。

2.传感器数字采集系统实验2

时间：1周
步骤：
阅读实验教材综合设计的概述部分P216-P217功能框图和逻辑功能划分。
阅读P180-181参数化计数器与分频电路。
阅读服务器网络课程资源中的目标板。
查阅相关网络资源。
实操：

B级任务（90%）

在QuartusII上，设计一个每1秒启动的距离连续测量与计算系统电路。
要求：
①以24MHz作为输入时钟源，规划好时序分配并记录。
时序应包括：
超声波模块，用于产生Trig启动信号的脉冲的时钟源和用于echo脉宽计数器的时钟信号。√
状态机，用于切换每1秒开始新一轮测量的时钟源。√
蜂鸣器，用于产生上周内容中单音频率和间隔的时钟源。√
数码管，用于产生多位数码管扫描频率和显示数据刷新时间的时钟源。
②以24MHz作为输入时钟源，阅读P180-181参数化计数器与分频电路，VHDL完成要求①中所有模块时钟信号的分频电路设计并仿真验证。
③输入输出数据与控制信号设计，按顺序填写各个模块的记录表。

注意：
模块划分参考图如下，数码管显示④和蜂鸣器发声部分⑤⑥⑦上周已经完成，本周不用规划。

④仿真验证说明。
⑤超声波模块两次测量间隔在60ms以上将不会相互干扰，而题目要求每1秒才刷新一次距离测量数据，请充分利用时间余量和适当的滤波方法，对多次测量值进行数据处理，以得到更稳定的测量结果。规划设计思路并VHDL完成电路设计。
⑥绘制最终设计好的完整的方框图，标注所有模块的名字，输入输出信号总线位宽。

综合实验——传感器数字采集系统

实验日期：2020.5.25-2020.6.14

实验目标：

初步设计一个复杂数字系统-传感器数字采集系统，理解扩展接口的超声波测距和通用USB-TTL串口电路原理；实现其实作模块功能验证；分层次编写VHDL完成系统模块优化方案，验证平台，FPGA串口与PC上位机软件（可选），并验证调试。

实验资源：

proteus8.8、quartusII9.0、Keil Uvision3、Codeblock、python、PyQt5、Qt designer等

传感器数字采集系统实验-1

一、超声波测距基本知识

1、了解超声波测距工程的演示与测量过程:

trig引脚上产生一个大于10μs的高电平信号，模块自动发送8个40kHz的方波，检测是否有信号返回，一旦接收返回信号，echo引脚自动变为高电平；

测距过程：
1、trig引脚上产生一个大于10μs的高电平信号，模块自动发送8个40kHz的方波，检测是否有信号返回，一旦接收返回信号，echo引脚自动变为高电平；
2、超声波模块接收到信号返回，echo引脚上由高电平自动变为低电平，高电平持续的时间位超声波传输时间，根据超声波在空气中传输的速度（340m/s）就能算出实际距离；
公式为：距离=（高电平时间×声速）/2，测量周期在60ms以上，用来防止发射信号对回响信号的影响；

2、仔细看trig和echo信号的示波器波形，对其进行分析，了解其计算过程并说明；

1）第一幅图中每一格代表500us，echo持续为12个格子左右（没看到详细时间），因此时间为50012us，距离=50012340/210 -6=1.02m，时间不是很准确因此有所误差；
2）第二幅图同样的分析方法，每一格代表200us，echo持续9格左右，时间为2009=1800us，距离=1800us340m/s*10 -6/2=0.306m，含有误差；
（注：图片为提供的波形，这里不展示整个图片了）

二、在Proteus上用SRF04传感器、蜂鸣器BUZZER和和数字电路芯片设计一个能单次启动测距系统的电路。

要求：用数码管显示出距离远近程度（8位距离采样值）、蜂鸣器能根据距离远近发出多种不同频率组合声音（蜂鸣器波形具有间歇式单音波形特点）；

纯数字电路实现的简单版本

【想法（可略过）】

HC-SR04超声波模块，模块四个引脚触发信号Trig，回声信号Echo，供电VCC和GND，测量周期60ms以上。当给Trig一个10us以上的脉冲时，HC-SR04内部自动循环发出8个40KHz的脉冲，Echo刚收到回波时置一(超出一定范围收到的信号不够HC-SR04置一定时器不计数)，单片机定时器开始计数，直到Echo没有收到信号置零，记了TH+TL次机器周期，一个机器周期需要12个振荡周期，由此时间就可以计算出来，再用时间X速度就可以计算出距离S。

首先利用AT89C51作为数字平台，自己写c程序来实现各个部件信号的控制，令p0.0_{p0.7作为显示距离的输出信号，p2.1作为控制蜂鸣器buzzer的输出信号、p2.2}p2.3作为超声波发射装置TR信号和ECHO信号的两个端口，最后还利用3个端口进行警告距离的设置（当警告距离大于测距时，蜂鸣器根据距离开始响）：当按下第一个按钮，则进入警告距离的设置，另外两个端口分别是距离加减的控制；c程序写完后利用keil生成对应的hex文件并放入51单片机；
将其余的部件buzzer、SRF04、以及用于显示的器件LM016L，利用该部件输出详细的信息如：初始显示距离的界面，以及按下第一个按钮后进入的警戒值设置界面；
根据c程序设置的端口进行连接，接好后进行调试，最终得到成品。

【设计思路】

将整个电路分为三大板块来实现，第一个板块是计数板块、第二个板块是显示板块、第三个板块是buzzer发声频率选择模块；
第一个板块计数板块: 可以由4位的十进制计数器74160来实现，百位、十位、个位各用一片74160来表示并将三片串成一个12位的10进制计数器；
74160功能表：

这里只需要将低位（个位）74160的RCO进位连接到高一位（十位）74160的EPN端或者ENT端，将十位与个位的RCO进位与后作为百位74160的EPN端或ENT端即可（个位的EPN/ENT端中的一个置1），选择其中一个端口连接后另一个端口与echo相连即可；这样就可以实现当echo为高电平开启计数的功能。
至于74160的clk时钟端口则连上一个17KHZ左右的时钟源来得到正确的高电平数。再设置一个1s为周期的时钟源接在3个74160的MR异步清零端口与TR端口；

第二个板块显示板块: 可以加上两个74273寄存器（其中一个仅使用4位）以及3个7SEG-BCD-GREEN即可；将三个74160的四位输出分别连接在74273的输入端口，将74273的输出连接到数码管即可实现；

第三个板块buzzer频率选择板块: 我将8位距离分成了4各部分：B<=25、25<B<=50、50<B<=100以及B>100四种，前三种距离分别是周期位250ms、500ms、1s的时钟源、大于100则不报警。而距离的比较我使用了74LS85（计数器）：
将74273寄存器中的12位距离通过比较器74LS85与25、50、100来进行比较，与一个数字进行比较需要3片74LS85（一片仅比较四位），需要将这三片比较器连接起来，将低位的输出O接到高位的输入I中，如果与数字25（0000 0010 0101）比较，则将这3个4位分别从低到高连接到3片74LS85的A端口，而B端口则连上74273寄存器的输出即可；剩余两个与50、100比较的也是同样的思路，因此一共使用了9片74LS85；
最后是根据与三个数相比较的输出O来进行三种频率的选择；这里直接使用与门、或门就可以实现。

【功能验证】

第一种情况，距离小于25，选择第一种时钟源（周期250ms）作为buzzer的发声频率（只有第一个分支按时钟闪烁），buzzer此时响的最急促，验证正确；

第二种情况，距离在(25，50]之间，选择第二种时钟源（500ms）作为发声频率，buzzer发声的频率较第一种降下来了，验证正确；
距离在(50,100]与大于一百的情况的验证同样类似，频率选择的四种情况全部验证正确，且数码管正常显示，实验结束。

传感器数字采集系统实验-2

任务：在QuartusII上，设计一个每1秒启动的距离连续测量与计算系统电路

一、距离测量的原理

测量距离首先需要获取时间，echo端变为高电平的时间就是发射到接收到回声信号的时间，可以使用一个计数器，计数器可以记录一段时间内，引入时钟信号的上升沿次数。
显然，这里echo充当的就是时钟信号的使能信号，如果想要获取持续时间，只需要在echo端高电平的时段，计数一共有多少个时钟信号上升沿即可。那么把echo端接在enable端就可以达成这个功能。但是echo隔一段时间便会上升一段时间，那么就要将异步清零信号每当提供一个工作信号给trig之前都输出一个更新信号，使echo端相连接的计数器更新。
时钟信号是高频信号，降低其频率使其能够让超声波模块能够认为其为有效信号（>10us）

二、各个部件的详细实现

下方的bjcfp：buzzer的初次分频模块； bjpl：buzzer的调整占空比模块；
上方的jsq：计数器模块； hxjsq：回响计数器模块； fp_js：分频出回响计数器的时钟源
cal：计算距离模块； fw：分位模块； scan_led3：显示模块；
计算模块与显示模块相连直接进行显示（显示模块就是前面的scan_led3实验成果，其实只要看显示模块的刷新频率clk2即可）

【自循环计数器】

实验要求：超声波模块单次测距周期应大于60ms；Trig信号高电平脉宽大于10us；单个测距周期以一个Trig信号启动，以一个清零信号对echo回响信号计数器清零。能用示波器测量到FPGA正确输出Trig信号和清零信号。
原理：计数器是数字系统中的基本逻辑部件，其功能是记录输入脉冲的个数。它所能记忆的最大脉冲个数成为该计数器的模。而本实验要求设计的是自循环计数器。通过超声波雷达的超声波模块（测距周期大于60ms）所输入的时钟信号，而产生一个Trig触发信号，以启动单个测距周期，而要求产生的Trig信号高电平脉宽大于10us；以及产生一个Clr清零信号对下一个计数器的echo回响信号进行清零。所以在设计该计数器的时候，应该设置Input为Clk时钟信号，而Output为Clr清零信号和Trig触发信号。而计数器的实体结构也应该根据要求进行设计。

分析：每次时钟变化计数的x加1，一个时钟为24MHZ（0.5us），那么只要周期数达到1s/0.5us就能确保1s产生一个Trig触发信号，以启动单个测距周期，而要求产生的Trig信号高电平脉宽大于10us（trig输出1的周期数达到10us/0.5us）；产生一个Clr清零信号对下一个计数器的echo回响信号进行清零。这里的1s钟echo回响信号清零满足用于切换每1秒开始新一轮测量的状态机要求。

【回响计数器】

回响计数器，需要用一个高频率的计数器，用echo信号作为计数器的使能端，该计数器测量echo信号持续的时钟周期个数（该时钟频率已经分频），对每次测量结果准确清零。
分频电路：
回响计数器，需要用一个高频率的计数器，用echo信号作为计数器的使能端，该计数器测量echo信号高电平持续的时钟周期个数，并对每次测量结果准确清零。
距离计算:
原理：我们用计数器接收了时钟信号，获得了ECHO为高电平时，一共有多少个时钟上升沿。要根据这个数据，计算障碍物与倒车雷达之间的距离。
我们的计数器的频率是24Mhz，所以周期是0.417us，假设收到的数据为N，即在ECHO为高电平时，有N个时钟信号上升沿。所以用时为N0.417us。在这段时间内，声音从倒车雷达处出发到障碍物，又返回雷达处。所以距离为：N0.41710-6340/2（m)，由于显示的单位是厘米，所以最终距离的表达式为：N7.08910-3（cm)。

回响计数：

如果clr为1则清零，否则如果echo处于高电平则x+1（记录周期数）；

【数码管扫描频率和显示数据刷新时间时钟源】

数码管扫描频率太低数码管会出现闪烁的现象，频率太高则亮度不够甚至无法看清，所以一般扫描间隔多为几毫秒，这里设置时钟频率为1ms左右。

【单音频率和间隔的时钟源】

分为两个模块，第一个模块为初步分频模块，不过这个模块分出来的信号为占空比为50%的标准信号。第二个模块为调整占空比模块。产生几种频率的时钟信号，根据距离大小来选择一种频率作为buzzer的单音频率。
以下仅给出其中1种频率占空比的调整，其他的几种实现类似，第一个分频模块与上面类似。