基于FPGA的盲人小助手障碍物识别系统设计(2)
本文使用EDA技术，使用FPGA可编程逻辑器件，基于超声波测距原理，设计一种可以帮助盲人识别障碍物的小工具，称之为“盲人小助手”。
盲人小助手是基于超生波测距原理设计的系统。目前常用的测距系统有红外测距，激光测距，超声波测距等。而前面两种测距方法基于光学原理，耗能相对较大，必然会增加系统的体积，或降低系统的待机时间。另一方面，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。超声波测距系统相对光学测距系统，精度较低。但日常生活中对精度的要求不高，误差几厘米也无伤大雅。由此，超声波测距的性价比要更高一些，因此本文使用超声波测距原理进行设计。
1.2 国内外研究现状
1.3 论文的主要内容及章节安排
本文中介绍了一种基于超声波测距原理的盲人小助手系统，旨在设计出一种能够帮助盲人识别障碍物的便携系统。因此必须实现距离的测量，以及进入预设的警报距离时的提示功能。另外为了方便调试，还应附加显示功能。本文主要讲述了盲人小助手的总体方案设计思路，硬件电路的选择以及软件系统的设计，最后进行仿真结果的阐述。硬件内容包括FPGA原理及参数的描述，蜂鸣器的驱动电路的，超声波传感器以及显示模块。软件设计主要包含分频、1MHz计数、距离计算、提示频选以及显示等模块，其中软件设计环境选择了Quartus II 进行设计与仿真。
文章的第2章介绍盲人小助手系统的总的设计方案和设计思想；第3章主要对需求的硬件与外部电路进行介绍，其中重点介绍了FPGA可编程逻辑器件的功能；第4章对盲人小助手的具体程序进行详细的介绍，同时介绍了超声波测距中各模块的算法；第5章介绍盲人小助手的仿真演示结果，最后进行总结。
2 系统方案设计
2.1 设计要求
盲人小助手的设计，其核心是超声波的测距系统，因此本设计应该达到以下要求：
（1）包含40KHz的超声波收发装置
（2）根据距离不同分阶段的提示音功能
（3）包含用于调试的距离显示功能
2.2 设计方案简述
基于以上要求，本设计应分为超声波收发、计算、显示、提示音三个大模块。由FPGA提供超声波信号，经过发送部分发出，遇到障碍物后返回，由接收部分接收。这个过程中，计数部分记录下时间，计算模块根据时间算出距离，并译成相对应的信号交给显示和提示模块。计算的过程中，收发模块持续工作，为下一次测距提供数据。系统开机后不断进行以上的循环，以保证能实时的测量障碍物的距离并给出正确的显示距离和提示音。
根据系统所要达到的功能要求，系统的硬件主要包括以下几个模块：
（1）超声波发生器
（2）超声波接收器
（3）显示模块
（4）蜂鸣器
（5）FPGA可编程逻辑器件
系统结构框图如2.1所示：2.1系统结构框图
2.3 芯片模块简述
本文采用EP2S30F484C5芯片进行了盲人小助手的设计。系统能够同时实现测距、显示具体距离和距离过近时的提示功能。系统包含超声波发生装置，用于发射40KHz的超声波，超声波发出时，芯片中的计数器模块启动开始计时，并在收到回波信号时停止。基于计数器的数据，计算模块会计算出与障碍物的距离。计数器1MHz的取样频率可以保证相对较高的测量精度，理论上可达到毫米精度。测量出的距离会被显示出来，并与预设的警报距离比较，一旦过于接近，蜂鸣器就会接到信号开始提示。提示音部分有三个模式，距离接近过程中，警报会越来越急促，接近到半米时会长响。
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