【 FPGA 】超声波测距小实验（三）回响脉宽计数之均值滤波
这是小实验还是接着上个小实验的：超声波测距小实验（一）
数码管显示回响信号脉冲宽度
先说说实验的要求：
超声波测距回响脉宽计数之均值滤波处理，每100ms产生1个超声波测距模块所需的10us高脉冲激励（超声波测距模块的触发信号），并用数码管以16进制数据显示经过滤波处理的回响信号的高脉冲计数值（以10us为单位）。
如下为功能框图：
滤波算法与实现：
先给出主模块程序，再给出其他子模块的程序，然后选取其中的某些部分来讲解：
主模块：
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//工程硬件平台： Xilinx Spartan 6 FPGA
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//每100ms产生1个超声波测距模块所需的10us高脉冲激励，并用数码管以16进制数据显示经过滤波处理的回响信号的高脉冲计数值（以10us为单位）
module sp6(input ext_clk_25m, //外部输入25MHz时钟信号input ext_rst_n, //外部输入复位信号，低电平有效output ultrasound_trig, //超声波测距模块脉冲激励信号，10us的高脉冲input ultrasound_echo, //超声波测距模块回响信号output[3:0] dtube_cs_n, //7段数码管位选信号output[7:0] dtube_data //7段数码管段选信号（包括小数点为8段） ); //-------------------------------------
//PLL例化
wire clk_12m5; //PLL输出12.5MHz时钟
wire clk_25m; //PLL输出25MHz时钟
wire clk_50m; //PLL输出50MHz时钟
wire clk_100m; //PLL输出100MHz时钟
wire sys_rst_n; //PLL输出的locked信号，作为FPGA内部的复位信号，低电平复位，高电平正常工作pll_controller uut_pll_controller(// Clock in ports.CLK_IN1(ext_clk_25m), // IN// Clock out ports.CLK_OUT1(clk_12m5), // OUT.CLK_OUT2(clk_25m), // OUT.CLK_OUT3(clk_50m), // OUT.CLK_OUT4(clk_100m), // OUT// Status and control signals.RESET(~ext_rst_n),// IN.LOCKED(sys_rst_n)); // OUT //-------------------------------------
//25MHz时钟进行分频，产生一个100KHz频率的时钟使能信号
wire clk_100khz_en; //100KHz频率的一个时钟使能信号，即每10us产生一个时钟脉冲clkdiv_generation uut_clkdiv_generation(.clk(clk_25m), //时钟信号.rst_n(sys_rst_n), //复位信号，低电平有效.clk_100khz_en(clk_100khz_en) //100KHz频率的一个时钟使能信号，即每10us产生一个时钟脉冲); //-------------------------------------
//每100ms产生一个10us的高脉冲作为超声波测距模块的激励
wire[15:0] echo_pulse_num; //以10us为单位对超声波测距模块回响信号高脉冲进行计数的最终值
wire echo_pulse_en; //超声波测距模块回响信号计数值有效信号ultrasound_controller uut_ultrasound_controller(.clk(clk_25m), //时钟信号.rst_n(sys_rst_n), //复位信号，低电平有效.clk_100khz_en(clk_100khz_en), //100KHz频率的一个时钟使能信号，即每10us产生一个时钟脉冲.ultrasound_trig(ultrasound_trig), //超声波测距模块脉冲激励信号，10us的高脉冲.ultrasound_echo(ultrasound_echo), //超声波测距模块回响信号.echo_pulse_en(echo_pulse_en), //超声波测距模块回响信号计数值有效信号.echo_pulse_num(echo_pulse_num) //以10us为单位对超声波测距模块回响信号高脉冲进行计数的最终值); //-------------------------------------
//缓存最近采集到的8组超声波测距回响脉冲计数值，对它们进行累加并求平均
wire[15:0] echo_pulse_filter_num; //滤波处理后的超声波测距模块回响信号高脉冲计数值filter uut_filter(.clk(clk_25m), //时钟信号.rst_n(sys_rst_n), //复位信号，低电平有效.echo_pulse_en(echo_pulse_en), //超声波测距模块回响信号计数值有效信号.echo_pulse_num(echo_pulse_num), //以10us为单位对超声波测距模块回响信号高脉冲进行计数的最终值.echo_pulse_filter_num(echo_pulse_filter_num) //滤波处理后的超声波测距模块回响信号高脉冲计数值); //-------------------------------------
//4位数码管显示驱动 seg7 uut_seg7(.clk(clk_25m), //时钟信号.rst_n(sys_rst_n), //复位信号，低电平有效.display_num(echo_pulse_filter_num), //显示数据 .dtube_cs_n(dtube_cs_n), //7段数码管位选信号.dtube_data(dtube_data) //7段数码管段选信号（包括小数点为8段）);endmodule/
//工程硬件平台： Xilinx Spartan 6 FPGA
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module clkdiv_generation(input clk, //外部输入25MHz时钟信号input rst_n, //外部输入复位信号，低电平有效output clk_100khz_en //100KHz频率的一个时钟使能信号，即每10us产生一个时钟脉冲); //-------------------------------------------------
//时钟分频产生
reg[7:0] cnt; //时钟分频计数器，0-249//1s定时计数
always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) cnt <= 8'd0;else if(cnt < 8'd249) cnt <= cnt+1'b1;else cnt <= 8'd0;assign clk_100khz_en = (cnt == 8'd249) ? 1'b1:1'b0; //每40us产生一个40ns的高脉冲 endmodule
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//工程硬件平台： Xilinx Spartan 6 FPGA
//开发套件型号： SF-SP6 特权打造
//版 权 申 明： 本例程由《深入浅出玩转FPGA》作者“特权同学”原创，
// 仅供SF-SP6开发套件学习使用，谢谢支持
//官方淘宝店铺： http://myfpga.taobao.com/
//最新资料下载： 百度网盘 http://pan.baidu.com/s/1jGjAhEm
//公 司： 上海或与电子科技有限公司
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module ultrasound_controller(input clk, //外部输入25MHz时钟信号input rst_n, //外部输入复位信号，低电平有效input clk_100khz_en, //100KHz频率的一个时钟使能信号，即每10us产生一个时钟脉冲output ultrasound_trig, //超声波测距模块脉冲激励信号，10us的高脉冲input ultrasound_echo, //超声波测距模块回响信号output reg echo_pulse_en, //超声波测距模块回响信号计数值有效信号output reg[15:0] echo_pulse_num //以10us为单位对超声波测距模块回响信号高脉冲进行计数的最终值); //-------------------------------------------------
//1s定时产生逻辑
reg[13:0] timer_cnt; //1s计数器，以100KHz（10us）为单位进行计数，计数100ms需要的计数范围是0~9999//1s定时计数
always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) timer_cnt <= 14'd0;else if(clk_100khz_en) beginif(timer_cnt < 14'd9_999) timer_cnt <= timer_cnt+1'b1;else timer_cnt <= 14'd0;endelse ;assign ultrasound_trig = (timer_cnt == 14'd1) ? 1'b1:1'b0; //10us高脉冲生成 //-------------------------------------------------
//超声波测距模块的回响信号echo打两拍，产生上升沿和下降沿标志位
reg[1:0] ultrasound_echo_r;always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) ultrasound_echo_r <= 2'b00;else ultrasound_echo_r <= {ultrasound_echo_r[0],ultrasound_echo};wire pos_echo = ~ultrasound_echo_r[1] & ultrasound_echo_r[0]; //echo信号上升沿标志位，高电平有效一个时钟周期
wire neg_echo = ultrasound_echo_r[1] & ~ultrasound_echo_r[0]; //echo信号下降沿标志位，高电平有效一个时钟周期//-------------------------------------------------
//以10us为单位对超声波测距模块回响信号高脉冲进行计数
reg[15:0] echo_cnt; //回响高脉冲计数器always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) echo_cnt <= 16'd0;else if(pos_echo) echo_cnt <= 16'd0; //计数清零else if(clk_100khz_en && ultrasound_echo_r[0]) echo_cnt <= echo_cnt+1'b1;else ;//计数脉冲数锁存
always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) echo_pulse_num <= 16'd0; else if(neg_echo) echo_pulse_num <= echo_cnt;//计数脉冲有效使能信号锁存
always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) echo_pulse_en <= 1'b0;else echo_pulse_en <= neg_echo;endmodule/
//工程硬件平台： Xilinx Spartan 6 FPGA
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module seg7(input clk, //时钟信号，25MHzinput rst_n, //复位信号，低电平有效input[15:0] display_num, //数码管显示数据，[15:12]--数码管千位，[11:8]--数码管百位，[7:4]--数码管十位，[3:0]--数码管个位output reg[3:0] dtube_cs_n, //7段数码管位选信号output reg[7:0] dtube_data //7段数码管段选信号（包括小数点为8段）);//-------------------------------------------------
//参数定义//数码管显示 0~F 对应段选输出
parameter NUM0 = 8'h3f,//c0,NUM1 = 8'h06,//f9,NUM2 = 8'h5b,//a4,NUM3 = 8'h4f,//b0,NUM4 = 8'h66,//99,NUM5 = 8'h6d,//92,NUM6 = 8'h7d,//82,NUM7 = 8'h07,//F8,NUM8 = 8'h7f,//80,NUM9 = 8'h6f,//90,NUMA = 8'h77,//88,NUMB = 8'h7c,//83,NUMC = 8'h39,//c6,NUMD = 8'h5e,//a1,NUME = 8'h79,//86,NUMF = 8'h71,//8e;NDOT = 8'h80; //小数点显示//数码管位选 0~3 对应输出
parameter CSN = 4'b1111,CS0 = 4'b1110,CS1 = 4'b1101,CS2 = 4'b1011,CS3 = 4'b0111;//-------------------------------------------------
//分时显示数据控制单元
reg[3:0] current_display_num; //当前显示数据
reg[7:0] div_cnt; //分时计数器//分时计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) div_cnt <= 8'd0;else div_cnt <= div_cnt+1'b1;//显示数据
always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) current_display_num <= 4'h0;else begincase(div_cnt)8'hff: current_display_num <= display_num[3:0];8'h3f: current_display_num <= display_num[7:4];8'h7f: current_display_num <= display_num[11:8];8'hbf: current_display_num <= display_num[15:12];default: ;endcaseend//段选数据译码
always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) dtube_data <= NUM0;else begincase(current_display_num) 4'h0: dtube_data <= NUM0;4'h1: dtube_data <= NUM1;4'h2: dtube_data <= NUM2;4'h3: dtube_data <= NUM3;4'h4: dtube_data <= NUM4;4'h5: dtube_data <= NUM5;4'h6: dtube_data <= NUM6;4'h7: dtube_data <= NUM7;4'h8: dtube_data <= NUM8;4'h9: dtube_data <= NUM9;4'ha: dtube_data <= NUMA;4'hb: dtube_data <= NUMB;4'hc: dtube_data <= NUMC;4'hd: dtube_data <= NUMD;4'he: dtube_data <= NUME;4'hf: dtube_data <= NUMF;default: ;endcaseend//位选译码
always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) dtube_cs_n <= CSN;else begincase(div_cnt[7:6])2'b00: dtube_cs_n <= CS0;2'b01: dtube_cs_n <= CS1;2'b10: dtube_cs_n <= CS2;2'b11: dtube_cs_n <= CS3;default: dtube_cs_n <= CSN;endcaseendendmodule/
//工程硬件平台： Xilinx Spartan 6 FPGA
//缓存最近采集到的8组超声波测距回响脉冲计数值，对它们进行累加并求平均
module filter(input clk, //外部输入25MHz时钟信号input rst_n, //外部输入复位信号，低电平有效input echo_pulse_en, //超声波测距模块回响信号计数值有效信号input[15:0] echo_pulse_num, //以10us为单位对超声波测距模块回响信号高脉冲进行计数的最终值output[15:0] echo_pulse_filter_num //滤波处理后的超声波测距模块回响信号高脉冲计数值); //-------------------------------------------------
//echo_pulse_num信号缓存10拍
reg[15:0] pulse_reg[7:0]; //echo_pulse_num信号缓存寄存器always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) beginpulse_reg[0] <= 16'd0;pulse_reg[1] <= 16'd0;pulse_reg[2] <= 16'd0;pulse_reg[3] <= 16'd0;pulse_reg[4] <= 16'd0;pulse_reg[5] <= 16'd0;pulse_reg[6] <= 16'd0;pulse_reg[7] <= 16'd0;endelse if(echo_pulse_en) begin //缓存最新的数据，使用移位寄存器的方式推进最新数据，推出最老的数据pulse_reg[0] <= echo_pulse_num;pulse_reg[1] <= pulse_reg[0];pulse_reg[2] <= pulse_reg[1];pulse_reg[3] <= pulse_reg[2];pulse_reg[4] <= pulse_reg[3];pulse_reg[5] <= pulse_reg[4];pulse_reg[6] <= pulse_reg[5];pulse_reg[7] <= pulse_reg[6];end//-------------------------------------------------
//对8个数据累加并输出平均值
reg[15:0] sum_pulse_reg;always @(posedge clk or negedge rst_n)if(!rst_n) sum_pulse_reg <= 16'd0;else sum_pulse_reg <= pulse_reg[0]+pulse_reg[1]+pulse_reg[2]+pulse_reg[3]+pulse_reg[4]+pulse_reg[5]+pulse_reg[6]+pulse_reg[7];assign echo_pulse_filter_num = {3'b000,sum_pulse_reg[15:3]}; //右移3位，相当于除以8endmodule上篇博文，也就是实验二已经讲解了超声波控制模块中的某些程序，这里再次贴出：
//超声波测距模块的回响信号echo打两拍，产生上升沿和下降沿标志位
reg[1:0] ultrasound_echo_r;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n) ultrasound_echo_r <= 2'b00;
else ultrasound_echo_r <= {ultrasound_echo_r[0],ultrasound_echo};
wire pos_echo = ~ultrasound_echo_r[1] & ultrasound_echo_r[0]; //echo信号上升沿标志位，高电平有效一个时钟周期
wire neg_echo = ultrasound_echo_r[1] & ~ultrasound_echo_r[0]; //echo信号下降沿标志位，高电平有效一个时钟周期
系统运行之前，总要先复位下，这时ultrasound_echo_r的值为00，之后若初遇回响信号ultrasound_echo（高电平），这个always块的操作是使得ultrasound_echo_r为01，此时，pos_en为1，这就找到了echo信号的上升沿，除了ultrasound_echo_r为01之外，其他任何时候都不会出现pos_en为1，秒否？
同理，如果回响信号从高电平变为低电平了，那么此时，ultrasound_echo_r为10，此时neg_echo为1，除此之外，任何时候neg_echo都不会为1，这就找到了回响信号的下降沿。
下面一段程序为：
//以10us为单位对超声波测距模块回响信号高脉冲进行计数
reg[15:0] echo_cnt; //回响高脉冲计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n) echo_cnt <= 16'd0;
else if(pos_echo) echo_cnt <= 16'd0; //计数清零
else if(clk_100khz_en && ultrasound_echo_r[0]) echo_cnt <= echo_cnt+1'b1;
else ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n) echo_pulse_num <= 16'd0;
else if(neg_echo) echo_pulse_num <= echo_cnt;
不难理解，上升沿到来时，以10us为单位的计数变量清零，开始计数： else if(pos_echo) echo_cnt <= 16'd0; //计数清零
当周期为10us的clk_100khz_en有效且回响信号ultrasound_echo_r[0]为高脉冲时，计数。
当下降沿时候，计数结束，将计数值给echo_pulse_num: else if(neg_echo) echo_pulse_num <= echo_cnt
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这篇博文在此基础上添加了如下程序段：
//计数脉冲有效使能信号锁存
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n) echo_pulse_en <= 1'b0;
else echo_pulse_en <= neg_echo;
很简单，这小段程序的意思是：每个回波信号在neg_echo有效时结束，这时也已经对此脉冲计数完成了，以10us为单位的计数，也就是知道了回波脉宽了。
之后进入均值处理的模块，均值处理模块，将检测echo_pulse_en信号什么时候有效，每一个有效期都会得到一个回波脉宽，最后将得到的所有的回波脉宽做均值处理，可以得到更稳定的回波脉宽测量。
/echo_pulse_num信号缓存10拍
reg[15:0] pulse_reg[7:0]; //echo_pulse_num信号缓存寄存器
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n) begin
pulse_reg[0] <= 16'd0;
pulse_reg[1] <= 16'd0;
pulse_reg[2] <= 16'd0;
pulse_reg[3] <= 16'd0;
pulse_reg[4] <= 16'd0;
pulse_reg[5] <= 16'd0;
pulse_reg[6] <= 16'd0;
pulse_reg[7] <= 16'd0;
end
else if(echo_pulse_en) begin //缓存最新的数据，使用移位寄存器的方式推进最新数据，推出最老的数据
pulse_reg[0] <= echo_pulse_num;
pulse_reg[1] <= pulse_reg[0];
pulse_reg[2] <= pulse_reg[1];
pulse_reg[3] <= pulse_reg[2];
pulse_reg[4] <= pulse_reg[3];
pulse_reg[5] <= pulse_reg[4];
pulse_reg[6] <= pulse_reg[5];
pulse_reg[7] <= pulse_reg[6];
end
这便是均值处理里面的程序，程序开头说缓存10拍，也就是10个echo_pulse_en有效次数，但我有一个疑问，程序是如何控制缓存了10拍的呢？
下面就直接进行均值处理了？先放在这里：
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//对8个数据累加并输出平均值
reg[15:0] sum_pulse_reg;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
if(!rst_n) sum_pulse_reg <= 16'd0;
else sum_pulse_reg <= pulse_reg[0]+pulse_reg[1]+pulse_reg[2]+pulse_reg[3]+pulse_reg[4]+pulse_reg[5]+pulse_reg[6]+pulse_reg[7];
assign echo_pulse_filter_num = {3'b000,sum_pulse_reg[15:3]}; //右移3位，相当于除以8
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