超声波测距数码管显示 FPGA 设计 Verilog Vivado

名称：超声波测距数码管显示 FPGA 设计 Verilog Vivado

软件：Vivado

语言：Verilog

功能介绍

本设计实现基于 FPGA 的超声波测距与数码管显示功能，使用 Verilog 编写，在 Vivado 工程中完成综合、实现与比特流生成。系统通过超声波模块的 trig 信号发出触发脉冲，并接收 echo 回波高电平，根据回波持续时间换算距离值，输出单位为 mm 的测距数据。 为了提升显示稳定性，设计在原始测距数据后加入 8 点均值滤波处理，对连续有效距离数据进行平均，减小单次测量抖动对显示结果的影响。滤波后的距离值送入数码管显示模块，通过段选和位选信号完成多位数码管动态扫描显示。 整体功能适合用于 FPGA 入门实验、超声波传感器接口实验、数字测距课程设计和板级外设联调参考。工程结构清晰，顶层模块将测距、滤波和显示三个功能单元连接在一起，便于学习各模块之间的数据流和控制信号配合。

运行环境

开发语言：Verilog 开发软件：Vivado 顶层模块：SMDisplay 主要工程文件包括 Vivado 工程文件、Verilog 源码文件和 XDC 管脚约束文件。工程包含 SMDisplay、Ultrasonic、moving_average_8point、display 等模块，可在 Vivado 环境中打开工程进行综合、实现和下载验证。

设计思路

系统采用模块化设计思路，顶层 SMDisplay 负责连接超声波测距、数据滤波和数码管显示。外部输入包括系统时钟 clk、复位 rst 和超声波模块 echo 信号，输出包括 trig 触发信号、数码管段选 dataout 以及位选 en。顶层不直接处理复杂算法，而是将不同功能拆分到独立模块中，便于调试和复用。 Ultrasonic 模块负责完成超声波测距时序控制。该模块根据系统时钟产生约 15us 的 trig 触发脉冲，并对 echo 高电平持续时间进行计数，得到距离测量值 distance，同时通过 distance_vld 给出单周期数据有效标志。该结构使后级模块只在数据有效时更新，避免无效采样影响显示。 moving_average_8point 模块用于对测距结果做 8 点均值滤波。每当 distance_vld 有效时，将新的 distance 数据送入滤波模块，输出平均后的 distance_av。相比直接显示单次测量值，均值滤波可以使数码管读数更平稳，尤其适合超声波模块这类容易受环境反射、角度和瞬时干扰影响的传感器。 display 模块负责将滤波后的距离值转换为数码管显示信号。模块输出 8 位段选 dataout 和 6 位 COM 使能 en，通过动态扫描方式显示距离数据。测距、滤波、显示三部分之间通过明确的数据有效信号和距离总线连接，逻辑层次清楚，适合继续扩展报警、量程判断或串口输出等功能。

模块结构

模块结构如下： SMDisplay：顶层模块，连接时钟、复位、超声波 echo/trig 接口、数码管段选和位选信号。 Ultrasonic：超声波测距模块，产生 trig 触发脉冲，接收 echo 回波信号，输出 distance 和 distance_vld。 moving_average_8point：8 点均值滤波模块，对有效测距数据进行平均处理，输出稳定后的 distance_av。 display：数码管显示模块，根据滤波后的距离值输出 dataout 和 en，实现距离数值显示。 SMDisplay_vlg_tst：测试相关文件，可用于模块仿真参考。

开发板验证

工程配有 XDC 管脚约束文件，并提供开发板实物验证相关图片，可用于 Vivado 工程的板级下载和接口连接参考。顶层接口包含超声波模块的 trig、echo 信号以及数码管 dataout、en 输出，适合结合约束文件完成 FPGA 引脚分配、外设连线和开发板实测显示。

演示视频

配有演示视频，可用于查看超声波测距与数码管显示的实际运行效果。

部分代码

以下展示顶层模块 SMDisplay 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module SMDisplay(clk,rst,echo,trig,dataout,en);

input clk,rst;//时钟和复位
input echo;//接收距离高电平
output trig;//发送15us脉冲
output[7:0] dataout;//数码管段选
output[5:0] en;//COM使能输出
wire distance_vld;
wire [15:0] distance;//测距值，单位mm
wire [15:0] distance_av;//测距值，单位mm
//超声波测距模块
Ultrasonic i_Ultrasonic (
. clk_50M(clk),
. reset_n(rst),
. echo(echo),//接收距离高电平
. trig(trig),//发送15us脉冲
. distance_vld(distance_vld),           // 数据有效信号，单周期脉冲   
. distance(distance)//输出距离，单位mm
);

//均值滤波
moving_average_8point i_moving_average_8point (
. clk(clk),          // 时钟信号
. rst_n(rst),        // 异步复位信号，低电平有效
. data(distance),  // 32位输入数据
. en(distance_vld),           // 数据有效信号，单周期脉冲    
. avg(distance_av),   // 32位平均值输出
. avg_valid()     // 平均值有效信号
);

//数码管显示模块
display i_display(
. clk(clk),
. rst(rst),
. dataout(dataout),//数码管段选
. en(en),//COM使能输出
. distance(distance_av)//输出距离，单位mm
);

endmodule

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