Цифровий ультразвуковий вимірювач відстані

КУТАРЄВ, Олег

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7346

Title:	Цифровий ультразвуковий вимірювач відстані
Authors:	СИСОЄНКО, Світлана КУТАРЄВ, Олег
Keywords:	УЛЬТРАЗВУК;ВИМІРЮВАННЯ;ДАВАЧ;ІНДИКАЦІЯ;ПЛІС
Issue Date:	2024
Abstract:	Метою виконання даної кваліфікаційної роботи на здобуття освітнього ступеня «бакалавр» є розробка цифрового пристрою для ультразвукового вимі- рювання відстані з використанням новітньої елементної бази та мікросхем вели- кого ступеня інтеграції. Загальний обсяг роботи становить 62 сторінки. У роботі 25 рисунків, 3 та- блиць. Для виконання кваліфікаційної роботи використано 20 літературних дже- рел. Основними завданнями кваліфікаційної роботи є: • проаналізувати наявні способи організації вимірювання відстані на основі ультразвукових сигналів та аналогічні рішення; • розробити структурну схему цифрового вимірювача; • розробити схему функціональну на основі структурної схеми. Практичне значення роботи полягає у застосуванні цифрового вимірювача відстані у автономних системах керування, промислових цифрових системах автоматизації. В першому розділі проекту проведено критичний аналіз аналогів пристрою. Розглянуто побудову систем ультразвукового вимірювання відстані та методів вимірювання, сфер застосування електронного вимірювання відстані. В другому розділі було обґрунтовано постановку технічного завдання з рекомендаціями можливих шляхів його вирішення. Третій розділ веде мову про розробку структурної схеми пристрою із детальним описом роботи кожного блоку. В четвертому розділі детально і ґрунтовно було обґрунтовано вибір елементів, давачів та виконано проектування функціональної схеми в ПЛІС. Фу- нкціональна схема в ПЛІС обробляє і відсилає сигнал за допомогою трансивера, з якого виміряна відстань надходить на конвертер, з якого потім дані надходять на індикатор або на порт USB. Надійність пристрою була розрахована у п’ятому розділі роботи.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7346
Appears in Collections:	123 Комп’ютерна інженерія (Комп'ютерні системи та мережі)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
ПЗ_Кутарєв_ДРУК-merged.pdf Restricted Access		3.95 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА ІНФОРМАЦІЙНОЇ БЕЗПЕКИ ТА КОМП’ЮТЕРНОЇ ІНЖЕНЕРІЇ
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до кваліфікаційної роботи бакалавра
на тему: «Цифровий ультразвуковий вимірювач
відстані»
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Виконав: студент 4 курсу, групи ЗКМ-2005
спеціальності 123 – «Комп’ютерна інженерія»
за освітньою програмою – «Комп’ютерні
системи та мережі»
Олег КУТАРЄВ
Керівник
к.т.н., доцент Світлана СИСОЄНКО
Рецензент
к.т.н., доцент кафедри КІ та ІТ, ЧДБК
Сергій БУРМІСТРОВ
«ЗАХИСТ ДОЗВОЛЯЮ»
Завідувач кафедри ІБ та КІ
д.т.н., професор ______ Віра БАБЕНКО
Черкаси 2024 року
Форма № Н-9.01
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет: інформаційних технологій і систем
Кафедра: інформаційної безпеки та комп’ютерної інженерії
Освітньо-кваліфікаційний рівень: Бакалавр
Спеціальність 123 – Комп’ютерна інженерія
Освітня програма Комп’ютерні системи та мережі
«ЗАТВЕРДЖУЮ»
Завідувач кафедри ІБ та КІ
д.т.н., професор ________ Віра БАБЕНКО
«28» лютого 2024 року
ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу бакалавра студенту
Кутарєву Олегу Вячеславовичу
(прізвище, ім‘я, по батькові)
1. Тема роботи: Цифровий ультразвуковий вимірювач відстані
Керівник роботи: к.т.н., доцент Сисоєнко Світлана Володимирівна
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом університету від «26» лютого 2024 р. № 60/04
2. Строк подання студентом роботи:
3. Вихідні дані до роботи:
1. Дальність дії – 0.02...5 (м).
2. Робоча частота – 40 (кГц).
3. Ширина діаграми направленості в горизонтальній і вертикальній площині α0,707=150.
4. Споживана потужність – 75 (мВт).
5. ККД випромінювання, не менше n=5%.
6. напруга живлення – 5 (В).
7. Індикація – 4-х розрядна семи-сегментна світлодіодна.
8. Додаткові виходи – USB.
9. Похибка вимірювання – 0.02 (м).
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити):
Вступ
1. Огляд методів вимірювання відстані
2. Обґрунтування технічного завдання
3. Розробка структурної схеми пристрою
4. Розробка функціональної схеми пристрою
5. Оцінка надійності
Висновки
Додатки
Список використаних джерел
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень, плакатів):
1. Специфікація на програму
2. Схема структурна
3. Схема електрична функціональна
6. Консультанти розділів роботи:
Розділ Прізвище, ініціали Підпис, дата
консультанта завдання видав завдання прийняв
7. Дата видачі завдання: 28 лютого 2024 року
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Термін
з/п Назва етапів роботи виконання Примітка
етапів роботи
1 Інформаційно-технічний пошук та огляд літератури 01.03 – 14.03 виконано
2 Обробка матеріалу 15.03 – 20.03 виконано
3 Патентний пошук та огляд наявних рішень 21.03 – 31.03 виконано
4 Обґрунтування технічного завдання 01.04 – 10.04 виконано
5 Розробка структурної схеми 11.04 – 15.04 виконано
6 Розробка функціональної схеми для ПЛІС 16.04 – 30.04 виконано
7 Оцінка надійності 01.05 – 10.05 виконано
8 Оформлення пояснювальної записки 11.05 – 20.05 виконано
9 Оформлення графічного матеріалу 21.05 – 29.05 виконано
10 Подання роботи на відгук та рецензування 20.05 – 01.06 виконано
Студент ___________________________ Олег КУТАРЄВ
(підпис)
Керівник роботи ___________________________ Світлана СИСОЄНКО
(підпис)
АНОТАЦІЯ
Метою виконання даної кваліфікаційної роботи на здобуття освітнього
ступеня «бакалавр» є розробка цифрового пристрою для ультразвукового вимі-
рювання відстані з використанням новітньої елементної бази та мікросхем вели-
кого ступеня інтеграції.
Загальний обсяг роботи становить 62 сторінки. У роботі 25 рисунків, 3 та-
блиць. Для виконання кваліфікаційної роботи використано 20 літературних дже-
рел.
Основними завданнями кваліфікаційної роботи є:
• проаналізувати наявні способи організації вимірювання відстані на
основі ультразвукових сигналів та аналогічні рішення;
• розробити структурну схему цифрового вимірювача;
• розробити схему функціональну на основі структурної схеми.
Практичне значення роботи полягає у застосуванні цифрового вимірювача
відстані у автономних системах керування, промислових цифрових системах
автоматизації.
В першому розділі проекту проведено критичний аналіз аналогів пристрою.
Розглянуто побудову систем ультразвукового вимірювання відстані та методів
вимірювання, сфер застосування електронного вимірювання відстані.
В другому розділі було обґрунтовано постановку технічного завдання з
рекомендаціями можливих шляхів його вирішення.
Третій розділ веде мову про розробку структурної схеми пристрою із
детальним описом роботи кожного блоку.
В четвертому розділі детально і ґрунтовно було обґрунтовано вибір
елементів, давачів та виконано проектування функціональної схеми в ПЛІС. Фу-
нкціональна схема в ПЛІС обробляє і відсилає сигнал за допомогою трансивера,
з якого виміряна відстань надходить на конвертер, з якого потім дані надходять
на індикатор або на порт USB.
Надійність пристрою була розрахована у п’ятому розділі роботи.
Ключові слова:УЛЬТРАЗВУК, ВИМІРЮВАННЯ, ДАВАЧ, ІНДИКАЦІЯ, ПЛІС
ABSTRACT
The purpose of this bachelor's degree thesis is to develop a digital device for ul-
trasonic distance measurement using the latest element base and high-degree integration
chips.
The total amount of work is 62 pages. In work 25 figures, 3 tables. 20 references
were used to carry out the work.
The main objectives of the qualification work are:
The main objectives of the qualification work are:
- analyse the existing methods of organizing distance measurement based on ul-
trasonic signals and similar solutions;
- develop a block diagram of a digital ultrasonic meter;
- develop a functional diagram based on the structural diagram.
The practical significance of the work lies in the use of a digital ultrasonic distance
meter in autonomous control systems and industrial digital automation systems.
The first section of the project provides a critical analysis of analogues of the de-
vice. The construction of ultrasonic distance measurement systems and measurement
methods, as well as the scope of electronic distance measurement are considered.
The second section substantiates the formulation of the technical task with recom-
mendations of possible ways to solve it.
The third section deals with the development of the device's block diagram with
a detailed description of the operation of each unit.
In the fourth section, the choice of elements and sensors was substantiated in de-
tail and thoroughly, and the design of the functional circuit in the FPGA was carried out.
The functional circuit in the FPGA processes and sends the signal using a transceiver,
from which the measured distance is sent to a converter, from which the data is then sent
to the indicator or to the USB port.
The reliability of the device was calculated in the fifth section of the paper.
Keywords: ULTRASOUND, MEASUREMENT, SENSOR, INDICATION,
FPGA
ЗМІСТ
ВСТУП..............................................................................................................................3
1 ОГЛЯД МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ВІДСТАНІ....................................................5
1.1 Локаційний метод........................................................................................5
1.2 Фазовий метод.............................................................................................8
1.3 Двох-частотний метод .............................................................................. 10
1.4 Визначення відстані за допомогою частоти биття.................................11
1.5 Імпульсний безперервний режим............................................................14
1.6 Імпульсний періодичний режим..............................................................16
1.7 Аналог проектованого пристрою.............................................................17
2 ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ...................................................22
2.1 Існуючі способи вирішення технічного завдання..................................22
2.2 Розробка технічних вимог до проектованого пристрою.......................24
3 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ПРИСТРОЮ...............................................26
4 РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ПРИСТРОЮ......................................29
4.1 Розробка під’єднання тактового генератора...........................................29
4.2 Розробка під’єднання датчика ультразвукового сигналу......................31
4.3 Програмування пристрою та з’єднання з ПК.........................................33
4.4 Розробка функціональної схеми для ПЛІС.............................................38
5 ОЦІНКА НАДІЙНОСТІ.............................................................................................48
ВИСНОВКИ...................................................................................................................50
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ...........................................51
ДОДАТКИ:
А – 482.ЧДТУ.42205-01 Цифровий ультразвуковий вимірювач відстані
Б – ЧДТУ.242205.002 Е1 Цифровий ультразвуковий вимірювач
відстані. Схема структурна
В – ЧДТУ.242205.002 Е2 Цифровий ультразвуковий вимірювач
відстані. Схема електрична функціональна
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.....................................................................61
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Кутарєв О.В.
Перевір. Сисоєнко Цифровий ультразвуковий Літ. Арк. Акрушів
2 62
Реценз. БСу.Вр.містров вимірювач відстані
Н. Контр. СГр.Вес. ько С.О. Пояснювальна записка Кафедра ІБКІ, гр. ЗКМ-2005
Затверд. Бабенко В.Г.
ВСТУП
При розробці різних спеціалізованих систем часто виникає актуальна задача
виміру відстані до об'єкту. Такі задачі виникають у будівництві, геодезії, при
визначенні траєкторії руху об’єктів, для паркування автомобілів, промисловій
автоматизації тощо. А особливо стало актуальним вимірювання відстані в час
бурхливого розвитку безпілотних технологій [1, 2].
Нині існує декілька методів виміру відстані: індуктивний, оптичний,
ультразвуковий. Датчики, в основі яких лежить ультразвуковий метод,
відрізняються простотою пристрою і зручністю експлуатації, a також мають
високу надійність і досить високу точність. Ультразвук є безконтактним способом
виміру, тому охоплює велику кількість сфер для використання в повсякденному
житті. Нині ультразвук широко застосовується в медичних, військових і
промислових сферах [3].
Особливе значення визначення дистанції набуває сенсу при роботі, в умовах
погіршення видимості, контроль дистанції між автотранспортом при його русі в
умовах недостатньої видимості на невеликих швидкостях, контроль відстані під час
паркування, контроль відстані для великих машин на виробництвах, вимірювання
рівня заповнення резервуарів рідкою речовиною, рівня завантаження бункерів або
кузовів автомобілів сипким або роздробленим матеріалом, контроль розмірів
продукції, вимірювання дистанції від борту судна до причальної стінки, задимлені
приміщення, в тумані, гідролокації.
Традиційно для таких цілей використовують радіолокаційні методи, але
існують багато недоліків, такі як розміри пристрою, випромінювання, ВЧ
випромінювання, ускладнена обробка. Тому останнім часом частіше
застосовуються методи за допомогою ультразвуку: фазовий, частотний та
імпульсний [4].
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 3
Робота ультразвукового засобу вимірювання відстані ґрунтується на явищі
розповсюдження звукових хвиль в повітряному середовищі і віддзеркалення його в
процесі розповсюдження від інших середовищ (контрольованих тіл).
Для вимірювання відстаней в повітряному середовищі використовуються
п'езокерамічні перетворювачі.
Перевагами використовування таких перетворювачів в повітряному
середовищі є: порівняльна простота випромінювання і прийому коливань,
компактність приймально-випромінюючих елементів апаратури, висока стійкість
до шумового, хімічного і оптичного забруднення навколишнього середовища,
можливість роботи в агресивних середовищах при високому тиску, можливість
значного віддалення вторинної апаратури від місця вимірювань, тривалий термін
служби, простота у використовуванні, порівняно мала вартість, практично
миттєва готовність до роботи після включення, нечутливість до електромагнітних
перешкод, висока надійність, несприйнятливість органів слуху людини до
ультразвуку використовуваної частоти (50 кГц) і ряд інших [5].
Таким чином, аналізуючи наведені тези, можна впевнено сказати що тема
розробки ультразвукового вимірювача відстані актуальна.
Метою кваліфікаційної роботи є розробка цифрового пристрою для
ультразвукового вимірювання відстані з використанням новітньої елементної бази
та мікросхем великого ступеня інтеграції.
Для досягнення мети поставлені такі завдання:
• проаналізувати наявні способи організації вимірювання відстані на
основі ультразвукових сигналів та аналогічні рішення;
• розробити структурну схему цифрового вимірювача;
• розробити схему функціональну на основі структурної схеми.
Практичне значення роботи полягає у застосуванні цифрового
вимірювача відстані у автономних системах керування, промислових цифрових
системах автоматизації.
Робота містить 62 сторінки основного тексту, 3 таблиці та 25 рисунків.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 4
1 ОГЛЯД МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ ВІДСТАНІ
1.1 Локаційний метод
Для вимірювання відстаней між об’єктами використовують електричні
методи, зокрема локаційний метод, оснований на вимірюванні часу проходження
вимірюваної відстані променем, швидкість якого відома і залишається незмінною
під час вимірювання. Практично для реалізації локаційного методу можна
використовувати всі види випромінювання, але найпоширенішими є методи та
засоби радіолокації, оптичної та акустичної локації. Локаційний метод, що
базується на використанні звукових та ультразвукових хвиль, називають ехо-
звуковим.
У локаційних засобах джерело випромінювання та приймач знаходяться на
одній границі вимірюваного розміру, а на іншій границі – спеціальний відбивач
або замість останнього використовується границя об’єкта, відстань до якого
визначається [1, 3].
Радіолокаційний та оптичний локаційний методи застосовуються для
вимірювань великих відстаней – від десятків та сотень метрів до багатьох
мільйонів кілометрів.
Акустична локація використовується в твердих, рідких та газоподібних
середовищах для вимірювань розмірів та відстаней від одиниць міліметрів до
декількох кілометрів, тобто в діапазоні, в якому застосування радіо та оптичної
локації ускладнено через необхідність вимірювати дуже малі часові інтервали
що зумовлено великою швидкістю розповсюдження
електромагнітних хвиль, або внаслідок швидкого загасання електромагнітних
коливань у рідких та твердих середовищах.
Швидкість розповсюдження звукових та ультразвукових коливань в повітрі
дорівнює близько 330 м/с, в морській воді 1500 м/с, а в металах, 3000…10000 м/с
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 5
тобто на 4..6 порядків менше від швидкості розповсюдження електромагнітних
коливань, що дає змогу використовувати акустичну локацію для вимірювань
малих відстаней.
Є два основні способи реалізації локаційного методу: імпульсний та
модуляційний (фазовий). В першому способі використовується випромінювання у
вигляді коротких імпульсів, а в другому – безперервне модульоване
випромінювання, фаза якого містить інформацію про вимірювану відстань. На
рисунку 1.1 наведені спрощені структурні схеми оптичних локаційних
світлодальномірів, основаних на використанні імпульсного (рисунок 1.1, а) та
модульованого (рисунок 1.1, б) випромінювання.
Рисунок 1.1 – Схеми реалізації локаційного методу вимірювань відстаней
В імпульсних локаторах випромінювання у вигляді короткого імпульсу від
джерела випромінювання – лазера 1 спрямовується до об’єкта 2, відстань до якого
вимірюють. Відбитий від об’єкта імпульс приймається оптоелектронним
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 6
чутливим елементом 3. Інтервал часу, протягом якого імпульс проходить
подвійну вимірювану відстань, визначається вимірювачем інтервалів часу 4.
Якщо відома швидкість розповсюдження променю, вимірювана відстань
обчислюється за допомогою обчислювального пристрою 5 відповідно до
формули:
і безпосередньо відраховується відліковим пристроєм 6.
Швидкість розповсюдження електромагнітного випромінювання, зокрема
оптичного, в повітряному середовищі визначається:
де c=299792458 м/с – швидкість світла у вакуумі;
n – показник заломлення світла в середовищі, який залежить від його
температури, тиску та вологості.
У сучасних високочастотних світлодальномірах одночасно з вимірюванням
відстаней здійснюються допоміжні вимірювання метрологічних параметрів
середовища (температури , тиску та вологості W) в декількох точках вздовж
вимірюваної відстані, результати яких вводяться в мікропроцесор 5 для уточнення
значення швидкості світла в даному середовищі в момент вимірювання відстані.
Цей спосіб надзвичайно трудомісткий і використовується лише при дуже точних
метрологічних вимірюваннях відстаней до декількох кілометрів, наприклад, в
установках для відтворення довжини на ділянці .
Інший спосіб уточнення швидкості світла у цьому середовищі полягає у
використанні двох-хвильового дисперсійного методу, при якому показник
заломлення визначають, вимірюючи відстані при двох різних довжинах хвиль із
застосуванням двох-частотного лазера. Цей спосіб використовується в світло-
дальномірах для точних вимірювань великих відстаней ( до сотень км) [4-6].
У фазових (модуляційних) локаційних дальномірах (рисунок 1.1, б)
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 7
використовується випромінювання лазера 1, модульоване за інтенсивністю
синусоїдним сигналом з частотою від генератора 5. Як інформативний
параметр для визначення часу проходження променем подвійної відстані
приймається кут фазового зсуву між напругою на виході приймача
випромінювання 3 та модульованою напругою, який вимірюється за допомогою
фазометра 4 і здійснюється на частоті модуляції:
де а – фази коливань відповідно в моменти часу та ;
– повна кількість фазових циклів;
– кут фазового зсуву в границях неповного фазового циклу.
Вимірювана відстань визначається в обчислювальному пристрої 5 за
формулою:
.
Отже, при вимірюваннях фазовими локаційними дальномірами відстаней,
більших від половини довжини хвилі модуляційного сигналу, необхідно
визначити повну кількість фазових циклів і кут фазового зсуву в границях
неповного ( останнього) циклу [7].
За допомогою оптичної локації та лазерів відстань від Землі до відбивачів,
установлених на Місяці, була визначена з точністю до 2…6 см, тобто з похибкою
меншою за .
1.2 Фазовий метод
Фазовий метод оснований на тому, що різниця фаз зондуючого і відбитого
сигналу пропорційна часу запізнення . Суть цього методу полягає в наступному
[2, 7]. Передавач випромінює незатухаюче коливання:
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 8
Приймач приймає відбитий сигнал:
де – зміна фази коливання при відбитті від перешкоди.
Ці два коливання зрівнюються у вимірювачі по фазі. В результаті різниця
фаз цих коливань:
Звідси час затримки визначається по формулі:
Тоді дальність розраховується по формулі:
де – швидкість ультразвуку в середовищі.
В нашому випадку при відстані і швидкістю ультразвуку в повітрі
при можливості різниці фаз необхідна частота випромінювання
буде складати:
Така низька частота вимагає великих розмірів випромінювача з
еквівалентною довжиною:
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 9
.
При збільшені частоти виникає неоднозначність фази. Наприклад, на частоті
50кГц фазовий зсув складатиме:
1.3 Двох-частотний метод
Для зменшення неоднозначності і виключення впливу на точність
вимірювання користуються двох-частотним методом. В цьому випадку
вимірювання роблять на двох близьких частотах і Перше вимірювання дає
результат:
друге:
Тоді різниця набігів фаз двох вимірювань:
.
Основним недоліком такого методу є складність обробки при двох-
частотному методі, також в більшості реалізацій вимагають наявності двох-
канальної системи [8].
Ще одним недоліком автономних приладів з застосуванням фазового
методу – це неекономічне енергоспоживання.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 10
При застосуванні одно-частотного фазового методу обробка сигналу дуже
проста і має високу точність. Це основна перевага цього метода.
1.4 Визначення відстані за допомогою частоти биття
Частотний метод виявлення перешкод оснований на принципі вимірювання
частоти биття коливань зондуючого і відбитого сигналів.
В таких вимірювачах зондуючий сигнал представляє собою безперервний
ЧМ сигнал [7, 8-9].
Найпростіша структурна схема ультразвукового засобі вимірювання
відстані з застосуванням цього методу зображена на рисунку 1.2.
Передавач випромінює частото-модульоване коливання (рисунок 1.2).
Миттєве значення частоти передавача визначається функцією:
де – середнє значення частоти; – швидкість зміни частоти.
Відбитий сигнал затримується на час , який визначається відстанню до
перешкоди.
В момент частота передавача:
Різниця частот несе інформацію про відстань до перешкоди:
де – швидкість зміни частоти – девіація частоти;
– частота модуляції.
Так як спектральні складові сигналу кратні частоті модуляції:
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 11
то частота биття також буде кратна частоті.
Рисунок 1.2 – Структурна схема ультразвукового засобу вимірювання
відстані при а) застосуванні частотного методу та б) принцип частотного методу
Звідси випливає, що вимірювання відстані до перешкоди цим методом
можливо лише в дискретних точках. Дискрет відліку частоти биття визначається
частотою модуляції :
Відстань до перешкоди через частоту биття визначається наступним
чином:
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 12
При збільшенні зменшується інструментальна помилка вимірювання,
але це збільшує флуктуаційну помилку, так як при цьому збільшується смуга
пропускання приймача. друга причина, яка викликає інструментальну помилку –
це непостійність частоти биття. На рисунку 1.3 показаний закон зміни частоти
биття. Він близький до трапеції [3, 6].
Рисунок 1.3 – Закон зміни частоти биття
Середня частота биття визначається як висота прямокутника, рівновеликого
площі огинаючої частоти биття. Площа рівномірного прямокутника рівна:
Середня частота биття:
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 13
Таким чином, інструментальна помилка, яка з'являється із-за непостійності
частоти биття за час вимірювання, визначається відношенням:
Чим менше це відношення, тим вища точність вимірювання відстані до
перешкоди. Основний недолік цього методу – це використання двох п’єзо-
перетворювачів і велике енергоспоживання [5, 10].
1.5 Імпульсний безперервний режим
Більш економічні є імпульсні методи, в яких визначення відстані до
перешкоди імпульсним методом зводиться до вимірювання часового інтервалу
між початковим імпульсом, який відповідає моменту випромінювання імпульсу
п’єзо-перетворювачем, і кінцевим імпульсом, який приймається після відбиття від
перешкоди. Вимірювання відстані імпульсним методом можна проводити в двох
режимах: безперервний і періодичний режими [3, 5, 11].
Структурна схема, яка відображає цей режим, зображена на рисунку 1.4.
В схемі використовується дискримінатор з двома селекторними імпульсами.
Пускові імпульси від синхронізатора одночасно з запуском модулятора
передавача подаються на схему керування затримки. На виході схеми затримки
формується два селекторних імпульси, затримка яких, визначається керованою
напругою, яка пропорційна сигналу помилки. На дискримінатор подається
сигнальний імпульс від приймача і селекторні – імпульси від схеми затримки.
Якщо лінія розділу раннього і пізнього селекторних імпульсів зміщена відносно
середини сигналу дискримінатора, з'явиться напруга сигнали помилки, величина і
полярність якої визначається часовим розузгодженням.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 14
Рисунок 1.4 – Структурна схема системи при застосуванні імпульсного
безперервного режиму
Ця напруга після підсилення і перетворення схемою керування діє на схему
затримки таким чином, щоб звести розузгодження до нуля. Виходячи з цього, час
затримки селекторних імпульсів автоматично підтримується рівнем а відстань
l, яка відповідає цьому часу, може бути перетворена в певний звуковий тон цьому
часу.
Основним недоліком цього методу є те, що використовується два п'єзо-
перетворювача. На їх виготовлення витрачається велика кількість коштів. Вони
виготовляються з дорогих п'єзо-пластин. Цього можна уникнути, якщо
використовувати один п'єзо-перетворювач. Ще одним недоліком цього методу є
досить складна обробка сигналів [4, 6, 12].
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 15
1.6 Імпульсний періодичний режим
Структурна схема, яка відображає цей режим зображена на рисунку 1.5.
Під час випромінювання високочастотних коливань п'єзо-перетворювач
працює в якості випромінювача ультразвукових коливань, а в проміжку між
імпульсами являється приймачем відбитий сигнал. Сигнал, відбитий від
перешкоди і прийнятий перетворювачем подається на вхід підсилювача високої
частоти. На його другий вхід від генератора імпульсів подається імпульс, який
закриває підсилювач високої частоти на час випромінювання. Запираючий
імпульс формується шляхом випрямлення напруги детектором 1. З підсилювача
сигнал подається на детектор 2, де сигнал детектується і отримується огинаюча
високочастотного сигналу [12]. Тригер перетворює інформацію про відстань ,
яка визначається тривалістю між імпульсами. Вихід імпульсів тригера
починаються в момент її випромінювання зондуючого сигналу і закінчуються в
момент при його повернені. Різниця між та – це час проходу коливання
до перешкоди і назад . Тоді визначається за формулою:
Зсув фази при поверненні відбитого сигналу:
.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 16
Рисунок 1.5 – Структурна схема при застосуванні імпульсного періодичного
режиму
До переваг цього методу можна віднести те, що тут використовується один
п'єзо-перетворювач. Також в цьому методі застосовується мале
енергоспоживання. До недоліків цього методу можна віднести те, що обробка
сигналу відносно складна [5, 13].
1.7 Аналог проектованого пристрою
Модель US - 100 це ультразвуковий датчик з температурною компенсацією.
Швидкість поширення звукової (ультразвуковий) хвилі при різних температурах
відрізнятиметься. Вимір датчика заснований на часі проходження звукової хвилі
від об'єкту до приймача датчика. Температурна компенсація, швидше за все не
повністю, усуне погрішність викликану температурою довкілля. Схемна
реалізація приладу показана на рисунку 1.6.
Для виміру датчик використовує 2 голівки, що нагадує великий мікрофон
або маленький динамік. По суті це і те, і те. Одна з голівок випромінює
ультразвукову хвилю, друга приймає відбитий сигнал ультразвукової хвилі.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 17
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 18
Рисунок 1.6 – Схема електрична принципова ультразвукового вимірювача
За часом проходження визначається пройдена відстань. По видимому
обмеження вимірюваної відстані в 4,5 метри обумовлена потужністю
випромінювача.
Що відносно спілкування датчика з мікроконтролером, модель US - 100 має
два можливі інтерфейси, вибирані перемичкою на задній стороні плати датчика.
Якщо перемичка коштує вибраний інтерфейс UART, якщо перемичка знята,
використовується інтерфейс або режим роботи GPIO. У першому випадку для
спілкування з мікроконтролером використовується або апаратні засоби
мікроконтролера, або програмні. У другому випадку приймати і передавати дані
припаде тільки вручну. У схемі пристрою задіяно найпростіший режим роботи з
використанням UART інтерфейсу.
При роботі датчика по UART, для ініціалізації одного виміру відстані
ультразвуковому датчику US-100 необхідно на вивід Trig/Tx передати значення
0x55, що відповідає символу "U". У відповідь датчик передає два байти
інформації про відстань на вивід Echo/Rx - перший байт - це старші 8 біт, другий
байт - молодші 8 біт. Одиниці виміру відстані - міліметри. Щоб два байти
перевести в одне значення відстані, необхідно перший байт помножити на 256 і
додати другий байт. Необхідно робити таким чином, тому що при
переповнюванні молодшого байта, старший байт збільшується на одиницю. Щоб
вивести поточне значення температури довкілля, необхідно передати значення
0x50, що відповідає символу "P". У відповідь датчик передає значення
температури. Фактичне значення температури буде рівне отриманому значенню
від датчика мінус 45.
Параметри ультразвукового датчика US -100:
 напруга живлення - 2,4 - 5,5 вольт постійної напруги
 споживаний струм в режимі очікування - 2 мА
 робоча температура - мінус 20 - плюс 70 З
 кут огляду - 15 градусів
 інтерфейс - GPIO або UART
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 19
 вимірювана відстань - від 2 см до 450 см
 погрішність - плюс мінус 3 мм + 1%
Конфігурація UART для датчика: 9600 baud rate, 8 data bits, parity: none, 1
stop bit.
Схема ультразвукового далекоміра побудована на основі мікроконтролера
Atmega8 і ультразвуковому датчику US - 100. Живлення схема береться від
лінійного стабілізатора напруги L7805, конденсатори в обв'язуванні стабілізатора
обов'язкові, хоча може працювати і без них. Деякі стабілізатори просто не будуть
працювати без конденсаторів. Лінійний стабілізатор можна замінити на
імпульсний, наприклад MC34063 або LM2576, але доведеться трохи змінити
схему згідно з підключенням імпульсних стабілізаторів в схемі. Конденсатори С5-
С7 потрібні для забезпечення стабільності роботи мікроконтролера і датчика.
Резистор R2 потрібний для запобігання мимовільному перезапуску
мікроконтролера і служить підтяжкою позитивного живлення на виведення reset.
Резистор R1 регулює контраст LCD -дисплея. За інформаційну панель був взятий
рідкокристалічний (ЖК або по іншому LCD) екран SC1602, 2 рядки по 16
символів на основі контролера HD44780. Замінити LCD -дисплей можна на будь-
яку іншу модель на базі контролера HD44780 з такою ж кількістю рядків і
символів в рядку або більше. На друкованій платі LCD -дисплея є можливість
задіяти підсвічування екрану двома способами - або за допомогою додавання
резистора і перемички на самій платі екрану або за допомогою спеціальних
виводів, зазвичай позначених як "А" і "К". Анод і катод відповідно. До них через
струмо-обмежуючий резистор підключається напруга живлення схеми 5 вольт. У
цій схемі задіяний перший спосіб, тому на схемі не позначено. Замість тактових
кнопок S1 - S5 можна використовувати будь-які інші кнопки. Світлодіод LED1
можна використовувати будь-який відповідний за кольором або замінити його на
транзистор і управляти якою-небудь іншою схемою залежно від перевищення
дистанції від датчика. Залежно від застосованого типу транзисторів (P - N - P або
N - P - N) при перевищенні ліміту дистанції або відстані вихід матиме позитивну
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 20
або негативну напругу, тобто при високому логічному сигналі мікроконтролера
транзистор N - P - N буде відкритий, а транзистор P - N - P закритий. У прошивку
мікроконтролера закладений параметр, при якому при перевищенні позначеного
ліміту відстані на виведення PB0 подаватиметься високий логічний рівень
напруги. У цій схемі світлодіод просто сигналізує про перевищення. Цей сигнал
дублюється на LCD -дисплеї підкресленням даний про ліміт дистанції. Цей
параметр можна регулювати кнопками S1, S2. При натисненні відбувається
збільшення або зменшення на 10 мм. Інформація про дистанцію на дисплей
виводиться також в міліметрах. Інформація про температуру довкілля виводиться
на дисплей в градусах Цельсія [3, 7, 13].
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 21
2 ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ
2.1 Існуючі способи вирішення технічного завдання
На даний час мало існує рішень для реалізації цифрового вимірювача
відстані. Деякі з них, не лише теоретичні, але і практичні, в яких були б
представлені приклади готових проектів, мають на меті вирішення поставленого
завдання за допомогою мікроконтролера. Але зважаючи на невелику математичну
потужність даний тип арифметичного пристрою матиме досить малу частоту
генерованих коливань. Тому досить перспективним рішенням буде застосувати
ПЛІС для реалізації математичних операцій розрахунку. Причому ПЛІС дає
досить зручний інструмент у вигляді мови опису апаратури VHDL (Verilog) та
ефективні інструменти моделювання і відлагодження логіки роботи за допомогою
часових діаграм [14-15].
Для визначення відстані використовують такі методи за допомогою
ультразвуку: фазовий, частотний та імпульсний.
Максимальну точність має фазовий метод, але при визначенні відстані час
розповсюдження може приводити до затримки між коливаннями, що переданні і
прийняті, більше ніж на період. Це приводить до неоднозначності відліків.
Намагання позбавитись від неоднозначності ведуть до зменшення частоти
випромінювання, а відповідно і до збільшення розмірів випромінювача.
Частотний метод виявлення перешкод оснований на принципі вимірювання
частоти биття коливань зондуючого і відбитого сигналів. В таких вимірювачах
зондуючий сигнал представляє собою безперервний ЧМ сигнал.
Найпростіша структурна схема ультразвукового приладу для вимірювання
відстані з застосуванням цього методу зображена на рисунку 2.1.
Основний недолік цього методу – це використання двох п’єзо-
перетворювачів і велике енергоспоживання.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 22
Більш економічним є імпульсний метод, в якому визначення відстані до
перешкоди імпульсним методом зводиться до вимірювання часового інтервалу
між початковим імпульсом, який відповідає моменту випромінювання імпульсу
п’єзо-перетворювачем, і кінцевим імпульсом, який приймається після відбиття від
перешкоди. Вимірювання відстані імпульсним методом можна проводити в двох
режимах: безперервний і періодичний режими [8, 16].
Рисунок 2.1 – Структурна схема при застосуванні частотного методу
Основним недоліком імпульсного безперервного режиму є те, що
використовується два п'єзо-перетворювача. Цього можна уникнути, якщо
використовувати один п'єзо-перетворювач.
Структурна схема електронного пристрою при застосуванні імпульсного
періодичного режиму зображена на рисунку 2.2.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 23
Рисунок 2.2 – Структурна схема при застосуванні імпульсного
періодичного режиму
До переваг імпульсного періодичного режиму можна віднести те, що тут
використовується один п'єзо-перетворювач. Також в цьому методі застосовується
мале енергоспоживання. До недоліків цього методу можна віднести те, що
обробка сигналу відносно складна [6].
2.2 Розробка технічних вимог до проектованого пристрою
На даний час до таких пристроїв не встановлено єдиних стандартів та
технічних умов. Тому можна сформувати вимоги до його технічних
характеристик:
– дальність дії – 0.02...5 (м);
– звуковий діапазон – ультразвуковий;
– робоча частота – 40 (кГц);
– відносна нестабільність робочої частоти ;
– ширина діаграми направленості в горизонтальній і вертикальній
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 24
площині ;
– споживана потужність – 75 (мВт);
– ККД випромінювання, не менше ;
– напруга живлення – 5 (В);
– індикація – 4-х розрядна семи-сегментна світлодіодна;
– додаткові виходи – USB;
– похибка вимірювання – 0.02 (м).
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 25
3 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ПРИСТРОЮ
Структурна будова є досить важливою при проектуванні будь-якого
пристрою чи системи. На цьому рівні закладаються основні параметри та технічні
характеристики майбутнього виробу та відповідність стандартам та нормам. В
більшості своїй структурна схема визначає принципи взаємодії блоків та систем в
середині пристрою і дозволяє розбити проектування на логічні частини і
визначити способи взаємодії їх між собою.
Розглянуті вище структурні та принципові схеми ультразвукових
вимірювачів відстані спільно з поставленим технічним завдання дають цілком
точне представлення про структурну схему пристрою, який необхідно розробити.
Зазвичай головною частиною такого пристрою в сучасних розробках є
мікроконтролер чи спеціалізований недорогий мікропроцесор, призначений для
цифрової обробки сигналів. Альтернативою цим процесорам, при реалізації
цифрової обробки сигналів, являються ПЛІС (програмована логічна інтегральна
схеми) [14, 17]. Основні достоїнства ПЛІС це:
- висока швидкодія;
- можливість реалізації складних паралельних алгоритмів;
- наявність засобів САПР, систем, що дозволяють проводити повне
моделювання;
- можливість програмування або зміни конфігурації;
- сумісність при перекладі алгоритмів на рівні мов опису апаратури
(VHDL, AHDL, Verilog тощо);
- сумісність по рівнях і можливість реалізації стандартного інтерфейсу;
- наявність бібліотек програм, що описують складні алгоритми.
Архітектура ПЛІС якнайкраще пристосована для реалізації таких операцій,
як множення, згортка і тому подібне. Швидкодія ПЛІС дозволяє реалізовувати
багато алгоритмів обробки сигналів (зокрема алгоритми фільтрації). Головним
чином це обумовлено тим, що ПЛІС дозволяють ефективно реалізовувати складні
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 26
паралельні алгоритми навіть на мікросхемах відносно недорогих сімейств. Правда
на відміну від процесорів цифрової обробки сигналів, ПЛІС потрібні деякі
зовнішні елементи, такі як: пам'ять даних і пам'ять програм, тактовий генератор,
формувач шини або схеми управління і тому подібне. Хоча нові сімейства мають
вже деякі вбудовані функції.
Остаточний варіант структурної схеми ультразвукового вимірювача відстані
буде виглядати, як показано на рисунку 3.1.
Рисунок 3.1 – Структурна схема ультразвукового вимірювача відстані
Короткий опис призначення вузлів пристрою:
Ультразвуковий датчик має ультразвукові п’єзо-випромінювач і приймач,
які генерують та приймають 8 імпульсів ультразвукової частоти 40 кГц.
Трансивер генерує сигнал початку циклу вимірювання датчиком відстані та
приймає відповідний сигнал від датчика і перетворює його в цифровий код.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 27
Тактовий генератор виробляє синхронізуючі сигнали для роботи всіх вузлів
пристрою, які знаходяться в ПЛІС.
Блок опорних частот формує декілька стабільних частот з частоти тактового
генератора.
Конвертер відстані перетворює еквівалентний цифровий код тривалості
сигналу датчика в цифровий код виміряної відстані.
Дешифратор B-BCD перетворює цифровий двійковий код у двійково-
десятковий.
Дешифратор 7-ми сегментних індикаторів перетворює двійково-десятковий
код у код для відображення на багато-розрядному світлодіодному індикаторі.
4-х розрядний семи-сегментний LED індикатор призначений для
відображення виміряної відстані в міліметрах.
В пристрої передбачено живлення від акумулятора +9 В.
В роботі пропонується реалізувати більшу частину структурної схеми
пристрою в середині ПЛІС, крім, звичайно, тактового генератора,
ультразвукового датчика та індикатора [18-20].
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 28
4 РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ПРИСТРОЮ
4.1 Розробка під’єднання тактового генератора
Тактовий генератор в даному пристрої призначений для створення
необхідної тактової частоти для роботи всіх цифрових частин пристрою, які
входять в ПЛІС. Від його правильної роботи, стабільності та надійності залежить
правильність роботи всього ультразвукового вимірювача відстані.
Вибір схемної реалізації генератора залежить від цілей, які ставляться перед
проектуванням пристрою та вимог до стабільності частоти генерованого
коливання. Оскільки в роботі розробляється цифровий пристрій, тож опорна
частота повинна мати високу стабільність, і потрібно використати кварцову
стабілізацію.
В якості генератора тактової частоти 50 МГц доберемо кварцовий генератор
KXO-V97 з параметрами:
Таблиця 4.1 – Параметри кварцового генератора KXO-V97
Частотний діапазон в МГц 50 МГц
Стабільність частоти
при-20°~+70°C ±50ppm
при-40°~+85°C ±150ppm
Симетрії 50% ± 10% на рівні ½ Vcc
Зростання і падіння час макс. 6 нс
Макс рівень логічного "0" +0,4V
Рівень логічної "1".Vcc -0,5V
Вхідна напруга Vcc +3,3 В постійного струму ±10%
Вхідний струм 18 мА
Навантаження 15 пФ
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 29
Максимальний час запуску 10 мс
Тристабільний так
Ввімкнення/вимкнення часу затримки 100 нс макс
Час роботи в критичному режимі 10 секунд при +240°C
Рисунок 4.2 – Схема електрична принципова генератора синхронізації
Для забезпечення вирівнювання фронтів передбачається використання
ємності. Для цього обираємо конденсатори, рекомендовані для схеми типового
включення.
Фільтр по живленню: С9 – обираємо конденсатор типу К10-47-(0805) 50В
1 мкФ±10%; Для вхідного згладжування пульсацій на вхідному опорі обираємо
ємність 15 пФ – С11 – К10-47-(0805) 50В 47 пФ±10%; Для навантаження
доберемо конденсатор С10 – К10-47-(0805) 50В 15 нФ±10%.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 30
4.2 Розробка під’єднання датчика ультразвукового сигналу
Важливою складовою ультразвукового вимірювача відстані є безпосередньо
джерело ультразвуку та його приймач. Згідно поставлених вимог в технічному
завданні допустимо використати суміщений приймально-передавальний пристрій
ультразвукових коливань, який би в вже в цифровому вигляді передавав дані на
входи ПЛІС. Серед невеликої кількості таких трансиверів було обрано прилад
типу HC-SR04. Використовуючи ультразвукові хвилі, він вимірює відстань до
об'єкту або просто виявляє перешкоду на шляху руху рухливої конструкції. На
платі модуля розміщені п’єзо-випромінювач ультразвуку і мікрофон, що сприймає
відбиту хвилю. На відміну від інфрачервоних далекомірів на ультразвуковий
датчик HC-SR04 не впливають джерела світла або колір перешкоди. Можуть
виникнути утруднення при визначенні відстані до пухнастих або тонких об'єктів. І
необхідно звертати увагу, що швидкість звуку в повітрі залежить від температури.
Це зазвичай впливає на точність датчика. Типовими сферами застосування
являються паркувальні датчики, контролери рівня, пристрої моніторингу
місцевості тощо.
Параметри датчика показані в таблиці 4.2.
Таблиця 4.2 – Параметри датчика HC-SR04
Напруга живлення +5 В постійного струму ±10%.
Струм очікування 2 мА.
Струм споживання 15 мА.
Ефективний робочий кут 150.
Вимірювана відстань 20…5000 мм.
Роздільна здатність 3 мм.
Частота ультразвуку 40 кГц.
Виводи VCC, GND, Echo, Trig.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 31
Опис принципу роботи ультразвукового далекоміра HC-SR04 можна
розділити на наступні кроки:
1. На вхід Trig подається імпульс тривалістю 10 мікросекунд. Для
далекоміра це команда почати вимір відстані перед ним.
2. Пристрій генерує 8 ультразвукових імпульсів з частотою 40 кГц через
вихідний сенсор T.
3. Звукова хвиля відбивається від перешкоди і потрапляє в приймаючий
сенсор R.
4. На виході Echo формується імпульс, тривалість якого прямо
пропорційна виміряній відстані.
5. На стороні керуючого контроллера перераховується тривалість імпульсу
Echo у відстань по формулі: ширина імпульсу(мкс) / 58 = дистанція (см).
Часові діаграми сигналів зображено на рисунку 4.2.
Рисунок 4.4 – Часові діаграми сигналів роботи датчика
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 32
Відповідно до цих діаграм в ПЛІС необхідно організувати схему прийому та
вимірювання сигналу Echo і генерацію сигналу Trig з відповідною тривалістю.
4.3 Програмування пристрою та з’єднання з ПК
Даний блок призначений для передавання даних про виміряну відстань з
ПЛІС у послідовному форматі, які будуть передаватись в ПК по комунікаційному
порту USB. А також для програмування ПЛІС та мікросхеми пам’яті для неї.
Схема блоку під’єднання до ПК зображена на рисунку 4.3. Також дане рішення
має на меті забезпечити внутрішньо-схемне програмування ПЛІС.
В якості перетворювача інтерфейсів в послідовний USB використаємо
мікросхему FT2232H з наступними характеристиками:
 Одна ІМС перетворює USB в два послідовні/паралельні порти з
множиною конфігурацій.
 Проста організація повнофункціонального протоколу USB.
 Організація режиму USB 2.0 High Speed.
 Швидкість передачі RS232/RS422/RS485 UART до 12 Мбіт/с.
 Швидкість USB – паралельна шина FIFO до 64 Мбіт/с.
 Режим емуляції мікропроцесорної шини MCU.
 Налагоджуваний тайм-аут приймального буфера.
 Режим інтерфейсу FIFO з двох-направленою шиною і 4-провідним
інтерфейсом квитування.
 Вбудований стабілізатор напруги +1.8 В LDO.
 Напруга живлення +3.3 В.
 Робота зі швидкісними оптоізоляторами.
 Пам’ять конфігурації USB і налаштування інтерфейсу можуть
зберігаються в зовнішній EEPROM.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 33
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 34
Рисунок 4.5 – Схема інтерфейсу з’єднання з ПК
 Конфігурація EEPROM через USB.
 Вбудована схема скидання по живленню, наявність входу і виходу
скидання.
 Установка логічних рівнів 5 В або 3,3 В інтерфейсу введення-виводу
для кожного каналу незалежна.
 Помножувач тактової частоти з використанням ФАПЧ 12 - 480 МГц.
 Сумісність з хост контроллерами UHCI / OHCI / EHCI.
 Компактний корпус 64 Pin LQFP чи 64 Pin QFN.
Структурна схема FT2232H показана на рисунку 4.4.
Блок обробки протоколу USB відповідає на запити host-контроллера і
управляє режимом роботи UART. Для проміжного зберігання даних
використовуються по два буфери для кожного каналу (FIFO) місткістю 384 байт
(на прийом) і 128 байт (на передачу). Управління FIFO виконує відповідний
контролер.
Задаючий генератор мікросхеми працює від зовнішнього кварцового
резонатора на 12 МГц. Далі його частота множиться на 10 (до 120 МГц).
Контролер UART може працювати з швидкістю до 12 Мбод, проте реальна
максимальна швидкість залежить від використовуваного перетворювача рівня
інтерфейсних сигналів.
Початковий стан формується подачею сигналу на вхід RESET FT2232H.
Кварцовий резонатор підключається до виводів OSCI, OSCO. Вхід TEST
використовують тільки в налагоджувальному режимі. При звичайній роботі він
має бути сполучений із загальним дротом (GND).
Після закінчення ініціалізації мікросхеми по USB на виході USBEN
встановлюється високий рівень. Якщо протягом деякого часу обміну даними не
відбувається, то мікросхема автоматично переходитиме в режим очікування
(низький рівень на виводах PWRSAV і SUSPEND (виводи 60 і 36). При передачі
або прийомі даних на виводах TXLED і RXLED формується відповідний низький
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 35
рівень. Сигнал з виведення TXDEN призначений для управління приймачем
інтерфейсу RS - 485 (високий рівень при передачі даних по лінії TXD).
Напруга живлення мікросхеми FT2232H (VCC) – 3.3 В, споживаний струм -
не більше 25 мА в роботі і 500 мкА в режимі очікування. Логічні виходи
мікросхеми розраховані на струм до 4 мА (витікаючий) і до 8 мА (впадаючий).
Окрім цього є схеми включення-відключення живлення і визначення
перевантаження по струму для кожного з портів I/O, а також виводи для
підключення двох світлодіодів, що сигналізують про підключення і стан кожного
порту.
Рисунок 4.6 – Структурна схема мікросхеми FT2232H
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 36
Виводи ЕЕCS, EESK, EEDATA мікросхеми FT2232H призначені для
підключення зовнішньої незалежної пам'яті - мікросхеми EEPROM, в якій
зберігаються ідентифікатори виробника, персональний заводський номер виробу і
інші дані. Також зовнішня пам’ять необхідна, якщо по USB з комп'ютером
одночасно з’єднано декілька пристроїв на мікросхемах FT2232H. Якщо ПЗП
відсутній, до комп'ютера можна підключити тільки один пристрій, що утворює
віртуальний COM-порт.
Зазвичай використовується 16-бітна EEPROM 93С46 об’ємом 4 Кбіт. Ця
мікросхема здатна зчитувати дані на швидкості 1 Мбіт/с при напрузі живлення від
3.3 В (рисунок 4.5).
Рисунок 4.7 – Схема підключення мікросхеми FT2232H до зовнішньої EEPROM
Схема ввімкнення FT2232H в якості перетворювача інтерфейсу використана
типова – та яку рекомендує виробник.
Для підключення кварцового резонатора використаємо схему, зображену на
рисунку 4.6.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 37
Рисунок 4.8 – Схема підключення FT2232H до джерела тактової частоти
На рисунку показано рекомендоване підключення кварцового резонатора до
мікросхемі FT2232H. Кварц має бути на 12 МГц ± 0.003%. Необхідно також
додати навантажувальні конденсатори між виводами OSCI, OSCO і GND, як
показано на рисунку. Значення 27 пФ, показане в цьому прикладі, добре
підходить для більшості типів кварцових резонаторів, однак рекомендується по
можливості вибрати величину навантаження конденсатора, ґрунтуючись на
рекомендаціях виробника. Рекомендується також вибирати кварц типом зрізу
паралельного резонансу. Тож застосуємо кварцовий резонатор HC-49SM 12.00-10-
F-B.
4.4 Розробка функціональної схеми для ПЛІС
Цифрова частина ультразвукового вимірювача відстані може бути
побудована засобами моделювання і розробки для надвеликих інтегральних схем і
систем-на-кристалі від Altera САПР Quartus II.
Логічна схема роботи ПЛІС повинна забезпечувати отримання сигналу від
датчика, генерацію сигналу запуску циклу вимірювання, відлік тривалості
виміряного сигналу, перетворення виміряного сигналу з часу у відстань,
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 38
відображення сигналу на індикаторі, а також передачу виміряної відстані в ПК по
інтерфейсу USB.
Попередньо для проектування внутрішньої структури доберемо ПЛІС типу
FPGA фірми Altera Cyclone III – EP3C5T144C8 з наступними параметрами:
Кількість логічних вентилів 5136.
Кількість виводів користувача 95.
Кількість виводів мікросхеми 144.
Кількість вбудованих PLL 2.
Об’єм вбудованої пам’яті, біт 423936.
Напруга живлення мікросхеми, В 3,3.
Напруга живлення ядра, В 1,2.
Максимальна частота, МГц 402.
Вихідний струм, мА 40.
Ємність виводів, пФ 35.
Тип корпусу 144- EQFP.
Частота зовнішньої синхронізації, МГц 50.
Дана мікросхема має вдвічі збільшену швидкодію в порівнянні з
попередніми серіями, зменшену ємність виводів та збільшену кількість
програмованих виводів.
Внутрішня структура ПЛІС може бути розроблена в САПР Quartus II як з
допомогою схемо-технічного проектування так і за допомогою мови
програмування VHDL.
Ємність неполярних конденсаторів для фільтрів живлення ядра С17, С20,
С24, С25, С26, С28, С31, С32, С34, С35 доберемо 100 нФ.
Для забезпечення заданої ємності використаємо конденсатори К10-17В
0805 100 нФ+10%-25В.
Для зчитування сигналів 12 клавішної клавіатури розробимо дешифратор
клавіатури для 4 строчок і 3 стовбців. Код VHDL наведено в додатках, а схема в
САПР Quartus II буде мати наступний вигляд:
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 39
Розробка блоку трансивера. Трансивер генерує сигнал початку циклу
вимірювання датчиком відстані та приймає відповідний сигнал від датчика і
перетворює його в цифровий код. Як відомо з принципу роботи ультразвукового
далекоміра HC-SR04, потрібно кожні 50 мс генерувати імпульс Trig тривалістю 10
мкс. Це досить легко зробити, якщо використати тактову частоту 1 МГц, яку
необхідно забезпечити в блоці опорних частот. Аналогічно за інтервал часу 50 мс
отримується сигнал Echo, тривалість якого при відсутності перепони на шляху
ультразвуку 40 мс. Тому відлік числа імпульсів тривалістю 1 мкс (частотою 1
МГц) дає тривалість імпульсу Echo в мкс.
Для визначення розрядності сигналу виміру відстані distance скористаємося
формулою:
.
Тому розрядність сигналу distance буде 16 біт.
Крім сигналів Echo, Trig, в блок трансивера повинен входити
синхронізуючий сигнал та сигнал асинхронного скидання, знімання активності
якого буде приводити в дію цей блок. Зображення блоку трансивера наведено на
рисунку 4.7, а поведінковий опис на мові VHDL у додатку А.
Рисунок 4.9 – Схема функціональна блоку трансивера
Розробка блоку конвертера відстані. Для перетворення кількості
порахованих імпульсів у виміряну відстань необхідно отриману тривалість в мкс
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 40
поділити на 58 і отримується відстань в см. Щоб отримати відстань в мм,
необхідно помножити на 10. Це все досить просто реалізувати з допомогою цілих
типів даних в мові VHDL, відкидаючи при цьому дробову частину, яку не буде
враховувати вимірювач.
Розрядність сигналу виміру відстані dist_len залишимо такою ж як і для
відстані, вираженої в мкс. Функціональна схема блоку конвертера відстані матиме
наступний вигляд:
Рисунок 4.10 – Функціональна схема конвертера відстані
Розробка блоку опорних частот. Внутрішня структура ПЛІС
характеризується синхронною роботою всіх блоків. Але деякі блоки повинні
працювати на своїй частоті. Причому, блок передачі даних в ПК по шині USB –
12 МГц. Ця частота обрана з умови роботи передачі даних стандарту USB 1.1.
Для таких цілей використаємо PLL (Phase-Locked Loop) – це спеціальний
генератор зі схемою підстроювання частоти, це генератор, керований напругою
(VCO – voltage-controlled oscillator). У генераторі реалізовано порівняння фаз
сигналу вхідної частоти і сигналу вихідної частоти. Виміряна різниця фаз цих
частот через негативний зворотний зв'язок якраз і управляє частотою генератора,
фіксуючи її на заданому значенні. У вибраній мікросхемі Altera Cyclone III є
вбудовані PLL. Це дуже важливий компонент, оскільки за допомогою PLL
зазвичай в проекті створюються усі частоти, потрібні для дизайну. Саме тому для
його реалізації є компонент в середовищі проектування Quartus II фірми Altera.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 41
PLL фактично буде відповідати блоку опорних частот на структурній схемі.
Він буде утворювати 2 частоти з 50 МГц – 12 МГц та 1 МГц.
Рисунок 4.11 – Початкові налаштування PLL
В результаті необхідно отримати частоти:
для виходу с0:
МГц.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 42
Рисунок 4.12 – Задавання коефіцієнту ділення для на виході с0
для виходу с1:
МГц.
Рисунок 4.13 – Задавання коефіцієнту ділення для на виході с1
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 43
В результаті синтезу отримаємо блок опорних частот, зображений на
рисунку 4.12.
Рисунок 4.14 – Синтезований блок PLL
Розробка блоку дешифратора двійкового коду в двійково-десятковий.
Дешифратор двійкового коду в двійково-десятковий повинен перетворити 16-
розрядний двійковий код виміряної відстані в код двійково-десятковий. Для цього
використаємо алгоритм побудови такого дешифратора, заснований на зсувному
регістрі на 3 розряди в кожних 4-х розрядах двійкового числа. Таким чином
отримується 5 чотири-розрядних цифри в двійково-десятковому коді. Лістинг
коду на мові VHDL показано в додатку Б, а отриманий блок показано на
рисунку 4.13.
Рисунок 4.15 – Блок дешифратора двійкового коду в двійково-десятковий
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 44
Розробка блоку дешифратора двійково-десяткового коду в семи-
сегментний.
Даний дешифратор виконує фактично декілька функцій. Він відображає на
розрядах індикатора цифри та запалює необхідні розряди подачею напруги.
Оскільки діапазон вимірювання датчика до 5 м, то достатньо буде 4-х розрядів
індикатора для відображення відстані. В зв’язку з цим деяка надлишковість
попереднього дешифратора буде усунута використанням тільки його 16
молодших розрядів. Так як запалювання точок не потрібне, то просто їх з’єднують
із напругою живлення. В блоці програмно реалізоване циклічне запалювання
розрядів з частотою 100 кГц, що для оператора буде здаватись постійним
свіченням. Блок представлено на рисунку 4.14, а лістинг програми на мові VHDL
в додатку В.
Рисунок 4.16 – Блок дешифратора двійково-десяткового коду в семи-сегментний
USB інтерфейс. Блок, який реалізує передачу даних через порт USB в ПК
можливо реалізувати за методом буфера FIFO. Такий блок є майже
стандартизованим і описується на мові VHDL, лістинг програми якого приведено
в додатку А. Причому дані повинні передаватись на вихід по 8 розрядному
синхронному інтерфейсу. Такий інтерфейс реалізовано на основі вже розглянутої
мікросхеми FT2232H. Щоб перетворити дані з 16 біт у 8 необхідно застосувати
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 45
стандартизований зсувний регістр також із буфером FIFO. Блок інтрефейсу
передачі зображено на рисунку 4.15, і зсувний регістр – на рисунку 4.16.
Рисунок 4.17 – Блок USB інтерфейсу передачі
Рисунок 4.18 – Блок зсувного регістра
У відповідності до схеми електричної принципової необхідно призначити
виводи ПЛІС у редакторі планування контактів. Для цього використано
призначення та розташування контактів в документації до мікросхеми
EP3C5E144C8 з рекомендаціями використовувати для синхросигналів певні
виводи. Загальне планування призначення виводів ПЛІС зображено на рисунку
4.17.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 46
Рисунок 4.19 – Схема планування призначення виводів ПЛІС
Повна функціональна схема проекту для ПЛІС показана в додатку В.
В якості ППЗП для запису програми роботи ПЛІС застосуємо мікросхему
EEPROM EPCS4 з наступними параметрами:
Номінальна ємність 4 Мбіт
Максимальна напруга живлення 4 В
Максимальний струм живлення 15 мА.
Час спрацювання 5 нс.
Частота синхронізації 25 МГц.
Напруга сигналів 3,3 В.
Вихідний струм 20 мА.
Вхідна ємність 6 пФ.
Вихідна ємність 8 пФ.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 47
Запис файлу завантаження ПЛІС записується одноразово і ППЗП і в ПЛІС,
використовуючи конфігурацію паралельного завантаження.
В якості семи-сегментного індикатора застосуємо індикатор наступного
типу LFD3162-20/A з параметрами:
Колір зелений.
Тип підключення загальний анод.
Максимальна зворотна напруга діода 5 В.
Пряме падіння напруги 1,7 В.
Прямий струм діода 10 мА.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 48
5 ОЦІНКА НАДІЙНОСТІ
Надійність є комплексною величиною, в залежності від призначення
цифрової апаратури і умов її експлуатації може включати такі властивості, як:
ремонтопридатність, збереженість, довготривалість, та безвідмовність, окремо або
в комплексі.
Ці якості є якісними характеристиками надійності. Під надійністю
пристрою мають на увазі його можливість виконувати задані функції при
збереженні експлуатаційних показників протягом потрібного терміну, або
потрібного напрацювання часу, експлуатації чи випробування.
Надійність апаратури визначається надійністю і кількістю використаних
елементів. Так як надійність являється одним з основних параметрів її слід
оцінювати поряд з іншими параметрами і на основі цих розрахунків робити
висновок про доцільність і правильність вибраної схеми і конструкції виробу. На
етапі проектування, коли ще точно не визначені режими роботи схеми, проводять
розрахунок використовуючи орієнтовні дані.
Надійність елементів є одним з факторів, істотно впливаючи на
інтенсивність відмов апаратури в цілому. Інтенсивність відмов елементів
залежить від конструкції, якості виготовлення, від умов експлуатації та від
електричних навантажень в схемі.
Проведемо розрахунок надійності по несподіваних експлуатаційних
відмовах.
Показник надійності характеризує властивість виробу зберігати
працездатність протягом деякого періоду часу при установлених умовах
експлуатації.
Будемо вважати, що всі елементи схеми працюють в однакових умовах і при
номінальному навантаженні. З технічних умов на елементи схеми обчислимо
інтенсивність їхніх відмов і занесемо в таблицю.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 49
Таблиця 5.1 – Інтенсивність відмов радіоелементів.
Число
Найменування Інтенсивність відмов, *10-6, *10-6*Ni,
елементів,
елемента
N 1/год 1/год
i
Резистор 15 0,4 6
Інтегральна
6 0,01 0,06
мікросхема
Конденсатор 30 0,7 21
Трансформатори 2 0,4 0.8
Індуктивності 1 0,25 0,25
Діод 3 0.7 2,1
Роз’єми 5 0,06 0,3
Печатна плата 1 0,1 0,1
Пайка з'єднань 387 0,0002 0.0774
Монтаж 1 0,4 0,4
Визначимо інтенсивність відмов всього пристрою:
. (5.1)
де - інтенсивність відмов кожного елемента пристрою;
Ni - кількість елементів;
(1/год).
Визначимо середній час наробітку на відмову:
Т = 1/ =32175 годин. (5.2)
Визначимо можливість безвідмовної роботи протягом робочого дня:
(5.3)
З даних розрахунків можна стверджувати, що розроблений виріб є
високоефективним з точки зору надійності.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 50
ВИСНОВКИ
В даній кваліфікаційній роботі було вирішено ряд задач по проектуванню
цифрового ультразвукового вимірювача відстані, який має досить різноманітне
практичне застосування. Основною технічного рішення для даного проекту стала
програмована логічна інтегральна схема типу FPGA сімейства Cyclone III фірми
Altera. Вся цифрова обробка сигналу проходить в середині цієї ПЛІС.
Функціональна схема цієї обробки розроблена як за допомогою схемо-технічного
проектування так і за допомогою мови опису апаратури VHDL в САПР Quartus II.
Застосування результатів даного проекту можливе в сферах робототехніки
(вимір відстані до об’єкту для рухомих механізмів), автомобілебудуванні
(парктронік та розумні авто), автоматичних та ручних вимірювальних системах
тощо.
В першому розділі проекту проведено критичний аналіз аналогів пристрою.
Розглянуто побудову систем ультразвукового вимірювання відстані та методів
вимірювання, сфер застосування електронного вимірювання відстані.
В другому розділі було обґрунтовано постановку технічного завдання з
рекомендаціями можливих шляхів його вирішення. Третій розділ веде мову про
розробку структурної схеми пристрою із детальним описом роботи кожного
блоку.
В четвертому розділі детально і ґрунтовно було обґрунтовано вибір
елементів, давачів та виконано проектування функціональної схеми в ПЛІС.
Якості ультразвукового датчика застосовано цифровий ехо-датчик з дією до 5 м.
Функціональна схема в ПЛІС обробляє і відсилає сигнал за допомогою
трансивера, з якого виміряна відстань надходить на конвертер, з якого потім дані
надходять на індикатор або на порт USB.
В цілому всі поставлені завдання вирішено та оформлено пояснювальну
записку відповідно ЕСКД, ЕСПД та ДСТУ з наведенням лістингів програм на
мові VHDL.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 51
ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ
UART – універсальний асинхронний приймач/передавач.
GPIO – інтерфейс введення/виведення загального призначення.
LCD – рідкокристалічний дисплей.
VHDL – високорівнева мова опису апаратури.
ПЛІС – програмована логічна інтегральна схема.
ЧМ – частотна модуляція.
ККД – коефіцієнт корисної дії.
САПР – система автоматизованого проектування.
EEPROM – електрично програмований постійний запам’ятовуючий
пристрій.
ПЗП – постійний запам’ятовуючий пристрій.
FPGA – програмована користувачем вентильна матриця.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 52
ДОДАТОК А
«ЗАТВЕРДЖУЮ»
Завідувач кафедри ІБ та КІ
д.т.н., професор Віра БАБЕНКО
__________________
«___» ____________ 2024 року
Цифровий ультразвуковий вимірювач відстані
Специфікація
482.ЧДТУ.42205-01
Листів 2
Розробник _____________ Олег КУТАРЄВ
Керівник _____________ Світлана СИСОЄНКО
Черкаси 2024
2
482.ЧДТУ.42205-01 12 01
Позначення Найменування Примітка
Документація
482.ЧДТУ.42205-01 12 01 Текст програми
ДОДАТОК Б
Цифровий ультразвуковий вимірювач відстані
Текст програми
482.ЧДТУ.42205-01 12 01
Листів 5
Розробник _____________ Олег КУТАРЄВ
Черкаси 2024
2
482.ЧДТУ.42205-01 12 01
Модуль transceiver
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity transceiver is
port ( Clk : in std_logic;
Echo : in std_logic;
reset : in std_logic;
trigger : out std_logic;
distance : out std_logic_vector (15 downto 0));
end transceiver;
architecture Behavioral of transceiver is
signal clock_reg : std_logic_vector (15 downto 0):=(others=>'0');
signal distance_reg : std_logic_vector (15 downto 0):=(others=>'0');
signal trigger_reg : std_logic;
begin
process(Clk,clock_reg,reset,Echo) is
begin
if (reset='1') then
clock_reg <= (others => '0');
trigger_reg <='0';
elsif (Clk'event and Clk = '1') then
clock_reg <= clock_reg + 1;
if ((2 < clock_reg) and (clock_reg < 12)) then
trigger_reg <='1';
else
trigger_reg <='0';
end if;
if (clock_reg = 49999) then
clock_reg <= (others => '0');
end if;
end if;
end process;
process(Clk,Echo,reset) is
begin
if (reset='1') then
distance_reg <=(others => '0');
elsif (Clk'event and Clk = '1' and Echo='1') then
distance_reg <=distance_reg+1;
elsif (Clk'event and Clk = '1' and Echo='0') then
distance <= distance_reg;
end if;
end process;
trigger <= trigger_reg;
end Behavioral;
Модуль converter
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
entity converter is
port ( Clk : in std_logic;
reset : in std_logic;
3
482.ЧДТУ.42205-01 12 01
distance : in std_logic_vector (15 downto 0);
dist_len : out std_logic_vector (15 downto 0));
end converter;
architecture Behavioral of converter is
signal distance_reg : integer range 0 to 25000:= to_integer(unsigned(distance));
begin
process(Clk,distance,reset,distance_reg) is
begin
if (reset='1') then
distance_reg <=0;
elsif (Clk'event and Clk = '1') then
dist_len <= std_logic_vector(to_unsigned(10*distance_reg/58, 16));
end if;
end process;
end Behavioral;
Модуль binary_bcd
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity binary_bcd is
generic(N: positive := 16);
port(
clk, reset: in std_logic;
binary_in: in std_logic_vector(N-1 downto 0);
bcd0, bcd1, bcd2, bcd3, bcd4: out std_logic_vector(3 downto 0)
);
end binary_bcd ;
architecture behaviour of binary_bcd is
type states is (start, shift, done);
signal state, state_next: states;
signal binary, binary_next: std_logic_vector(N-1 downto 0);
signal bcds, bcds_reg, bcds_next: std_logic_vector(19 downto 0);
-- output register keep output constant during conversion
signal bcds_out_reg, bcds_out_reg_next: std_logic_vector(19 downto 0);
-- need to keep track of shifts
signal shift_counter, shift_counter_next: natural range 0 to N;
begin
process(clk, reset)
begin
if reset = '1' then
binary <= (others => '0');
bcds <= (others => '0');
state <= start;
bcds_out_reg <= (others => '0');
shift_counter <= 0;
elsif falling_edge(clk) then
binary <= binary_next;
bcds <= bcds_next;
state <= state_next;
bcds_out_reg <= bcds_out_reg_next;
shift_counter <= shift_counter_next;
end if;
4
482.ЧДТУ.42205-01 12 01
end process;
convert:
process(state, binary, binary_in, bcds, bcds_reg, shift_counter)
begin
state_next <= state;
bcds_next <= bcds;
binary_next <= binary;
shift_counter_next <= shift_counter;
case state is
when start =>
state_next <= shift;
binary_next <= binary_in;
bcds_next <= (others => '0');
shift_counter_next <= 0;
when shift =>
if shift_counter = N then
state_next <= done;
else
binary_next <= binary(N-2 downto 0) & 'L';
bcds_next <= bcds_reg(18 downto 0) & binary(N-1);
shift_counter_next <= shift_counter + 1;
end if;
when done =>
state_next <= start;
end case;
end process;
bcds_reg(19 downto 16) <= bcds(19 downto 16) + 3 when bcds(19 downto 16) > 4 else
bcds(19 downto 16);
bcds_reg(15 downto 12) <= bcds(15 downto 12) + 3 when bcds(15 downto 12) > 4 else
bcds(15 downto 12);
bcds_reg(11 downto 8) <= bcds(11 downto 8) + 3 when bcds(11 downto 8) > 4 else
bcds(11 downto 8);
bcds_reg(7 downto 4) <= bcds(7 downto 4) + 3 when bcds(7 downto 4) > 4 else
bcds(7 downto 4);
bcds_reg(3 downto 0) <= bcds(3 downto 0) + 3 when bcds(3 downto 0) > 4 else
bcds(3 downto 0);
bcds_out_reg_next <= bcds when state = done else
bcds_out_reg;
bcd4 <= bcds_out_reg(19 downto 16);
bcd3 <= bcds_out_reg(15 downto 12);
bcd2 <= bcds_out_reg(11 downto 8);
bcd1 <= bcds_out_reg(7 downto 4);
bcd0 <= bcds_out_reg(3 downto 0);
end behaviour;
Модуль HexInd
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity HexInd is
port ( Hexs : in std_logic_vector (15 downto 0);
Points : in std_logic_vector (3 downto 0);
5
482.ЧДТУ.42205-01 12 01
reset : in std_logic;
Clock : in std_logic;
Segs : out std_logic_vector (7 downto 0);
Anodes : out std_logic_vector (3 downto 0));
end HexInd;
architecture Behavioral of HexInd is
signal Counter : std_logic_vector (1 downto 0);
signal Hex : std_logic_vector (3 downto 0);
signal Point : std_logic;
signal SegInt : std_logic_vector (7 downto 0);
signal AnInt : std_logic_vector (3 downto 0);
begin
Segs <= SegInt when reset = '0' else "11111111";
Anodes <= AnInt when reset = '0' else "1111";
process(Clock) is
begin
if rising_edge(Clock) then
Counter <= Counter + 1;
end if;
end process;
with Counter select
Hex <= Hexs(3 downto 0) when "00",
Hexs(7 downto 4) when "01",
Hexs(11 downto 8) when "10",
Hexs(15 downto 12) when others;
with Counter select
SegInt(7) <= Points(0) when "00",
Points(1) when "01",
Points(2) when "10",
Points(3) when others;
with Counter select
AnInt <= "1110" when "00",
"1101" when "01",
"1011" when "10",
"0111" when others;
with Hex select
SegInt(6 downto 0 ) <= "1000000" when "0000",
"1111001" when "0001",
"0100100" when "0010",
"0110000" when "0011",
"0011001" when "0100",
"0010010" when "0101",
"0000010" when "0110",
"1111000" when "0111",
"0000000" when "1000",
"0010000" when "1001",
"0001000" when "1010",
"0000011" when "1011",
"1000110" when "1100",
"0100001" when "1101",
"0000110" when "1110",
"0001110" when others;
end Behavioral;
ЧДТУ.242005.002 Е1
Літ. Маса Масштаб
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Цифровий ультразвуковий
Розроб. Кутарєв О.В. вимірювач відстані
Перевір. Сисоєнко С.В. Схема структурна
Т. Контр. Арк. Аркушів 1
Реценз. Бурмістров С.
Н. Контр. Гресько С.О. Кафедра ІБтаКІ, гр. ЗКМ-2005
Затверд. Бабенко В.Г.
ЧДТУ.242005.002 Е2
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Цифровий ультразвуковий Літ. Маса Масштаб
Розроб. Кутарєв О.В. вимірювач відстані
Перевір. Сисоєнко С.В. Схема електрична
Т. Контр. функціональна Арк. Аркушів 1
Реценз. Бурмістров С.
Н. Контр. Гресько С.О. Кафедра ІБтаКІ, гр. ЗКМ-2005
Затверд. Бабенко В.Г.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Як ультразвукові вимірювання вимірюють відстань у розумному автомобілі?
Режим доступу: https://ua.piezodisc.com/info/how-does-ultrasonic-measurement-
measure-the-di-33776120.html
2. Галаган Р.М. Теоретичні основи ультразвукового неруйнівного контролю:
підручник / Р. М. Галаган. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2019. 263 с.
3. Способи вимірювання відстані. Режим доступу:
https://presa.com.ua/budivnytstvo/vimiryuvach-vidstani-na-mistsevosti-sposobi-
vimiryuvannya-vidstani.html
4. Методи вимірювання відстані / Ю. В. Киричук, Р. В. Бичук // Вісник
Інженерної академії України. 2012. Вип. 2. С. 73-77.
5. Jean M. Rüeger Electronic Distance Measurement. Springer Science & Business
Media, 1989. 266 р.
6. Тарасова В.В., Малиновський А.С., Рибак М.Ф., Метрологія, стандартизація і
сертифікація. Підручник / За заг. ред. В.В. Тарасової. К.: Центр навчальної
літератури, 2006. 264 с.
7. Дистанційні методи та засоби дослідження процесів в атмосфері Землі / Під
ред. Б.Л. Кащєєва, Е.Г. Прошкіна, М.Ф. Лагутіна; Харьків: Бізнес Інформ,
2002. 426 с.
8. Ніколаєнко Б.А., Рома О.М., Самборський І.І., Шолохов С.М., Юрченко О.В.
Основи цифрової обробки сигналів: навчальний посібник. Київ: ІСЗЗІ КПІ ім.
Ігоря Сікорського, 2021. 171 с.
9. Рябенький В.М., Жуйков В.Я., Гулий В.Д. Цифрова схемотехніка: Навч.
посібник. Львів: «Новий світ-2000», 2009. 736 с.
10.Заболотній С. В. Цифрове оброблення сигналів: Посібник для студентів
напряму підготовки 6.050901 "Радіотехніка" усіх форм навчання [Електронний
ресурс] / Авт.-укл. С.В. Заболотній; За ред. проф. Ю.Г. Леги ; М-во освіти і
науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. Черкаси: ЧДТУ, 2010. 119 с.
11.Комп’ютерна схемотехніка: підручник / [Азаров О. Д., Гарнага В. А.,
Клятчeнкo Я. М., Тарасенко В. П.]. Вінниця: ВНТУ, 2018. 230 с.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 61
12.Маланчук Є.З. Моделювання та аналіз цифрових схем. Підручник / Є.З.
Маланчук, В.В. Макаренко, В.М. Співак, Г. Г. Власюк, А.В. Рудик. Рівне:
НУВГП, 2018. 463 с.
13.Гершунський Б.С. Довідник з розрахунку електронних схем. К.: Вища школа,
1983. 240 с.
14.Аврунін О.Г. Основи мови VDHL для проектування цифрових пристроїв на
ПЛІС: навч. пос. / О. Г. Аврунін, Т. В. Носова, В. В. Семенець. Харків:
ХНУРЕ, 2018. 196 с.
15.Казимир В.В. Проектування комп'ютерних систем на основі мікросхем
програмованої логіки: монографія / С. А. Іванець, Ю. О. Зубань, В. В.
Казимир, В. В. Литвинов. Суми: Сумський державний університет, 2013. 313
с.
16.Quartus II Handbook. Volume 1. Design and Synthesis. Quartus II Handbook Version 15.0.
Режим доступу: https://www.intel.com/content/www/us/en/support/programmable/support-
resources/design-software/user-guides.html
17.Mentor Graphics ModelSim, Quartus II Handbook Volume 3: Verification
(intel.com) Mentor Graphics ModelSim and QuestaSim Support, Quartus II
Handbook Volume 3: Verification. Режим доступу:
https://www.intel.com/content/www/us/en/support/programmable/support-
resources/
design-software/user-guides.html.
18.Мірошник М.А., Клименко Л.А., Корольова Я.Ю. Технології та автоматизація
проєктування цифрових пристроїв складних комп’ютерних систем на ПЛІС:
Навч. посібник. Харків: УкрДУЗТ, 2021. 220 с.
19.Guide Books. Altium's GuideBooks provide in-depth insights and education for
PCB Design. [Електронний ресурс]. Режим доступу:
https://resources.altium.com/guide-books.
20.ДСТУ 3008-2015. Державний стандарт України. Документація. Звіти у сфері
науки і техніки. Структура і правила оформлення. К: УкрНДНЦ, 2016. 26 с.
Арк.
ЧДТУ.242205.002 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 62

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets