文档介绍：基于 CPLD 的超声波测距仪研制

葛建强
2000 级计算机科学与技术专业(本科)
【摘要】一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量,适用于建筑物内部、液位高度的测量。
本超声波测距仪采用 plex Programmable Logic Device)器件,运用 VHDL(Very High Speed
Integrated Circuit Hardware Description Language)编写程序,使用 MAX+plus II 软件进行软硬件设计的仿真
和调试,最终实现测距功能。
本超声波测距仪设计中采用的是 MAX7000s 系列中的 EPM7128SLC84-15 的 CPLD 器件,其最高频率
可达 ,可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口 RAM 等的设计。充分利用了其多达
128 个宏单元、68pin 可编程 I/O 口,使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部
集于一体。又因其延时平均的特点,保证了测距结果精度高、响应速度快。

【关键词】可编程逻辑器件超声波测距

一、问题的提出
由于超声波指向性强,能量衰减缓慢,在介质中传播距离较远,因而超声波经常用于距
离的测量。超声波测距具有很多特点,如:测定物位距离时不接触被测物体,无活动部分,
安装,调试简单,无维修,保养方便,测量精度高等,因而非常适用于物位测量,还可用于
测量有腐蚀性的各种液体、固体等。制成的电路简单,可替代传统的卷尺、直尺对距离进行
测量。目前国内外的超声波测距仪已有很多种类,有的内置了强大的运算功能,如计算面积、
体积和加、减等功能。高档超声波测距仪还具有存储和自动关机功能,测量精度在 %~1%
之间。这些超声波测距仪多采用超声波专用测距集成芯片,有的厂家则使用单片机自行开发
测量芯片。自主开发的芯片器件成本相对较低,但开发成本大,而采用超声波专用测距集成
芯片的成本相对较高。因此研制本测距仪,尝试使用先进的 CPLD 器件,高性能、低成本地
实现垂直距离测定。

二、解决的方法
目前 CPLD 器件已经被广泛地应用在 CPU 的外围接口电路中,这种器件具有多 I/O 接口
的特征,同时其内部也具有强大的逻辑运算功能,因此也能用来设计构建独立的仪器仪表。
MAX 器件内部的宏单元是其最基本的模块,能独立地编程为 D 触发器、T 触发器、RS 触
发器或 JK 触发器工作方式或组合逻辑工作方式。寄存器可以独立地由全局时钟或“与”阵
的反馈路径上的任何输入进行控制。其中的可编程I/O 结构允许设计者编程输出,并具有反
馈路径,使其按高电平有效或低电平有效工作在组合方式或寄存器方式,从而使得器件能够
同时实现各种逻辑函数。
MAX 的这种特性非常适用于本系统,可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡
器、七段码显示功能全部由 MAX 来实现,而只须在外部配上适当的超声波传感器接收和发
送电路,即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。
超声波测距仪系统的电路框图如下图所示。

三、系统的构成
超声波测距仪由超声波发送、超声波接收、接收放大、控制电路、数据处理