基于FPGA的超聲波液體密度傳感器的設計

　　0 引言

　　液體密度是許多工業(yè)中的重要參數(shù)，它可以直接參與生產(chǎn)過程中的控制和決策，因此對液體密度進行快速而準確的在線檢測有著重要的意義。尤其是在石油、化工、食品、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域，對密度的測量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟和消費者的人身安全。

　　1 超聲波液體密度計的工作原理

　　用超聲波來測量液體的密度有多種方法，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，借助于聲速測量密度的方法得到了廣泛的應用。這是因為超聲波在液體中傳播時，其聲速與液體的密度之間遵從下面的關(guān)系式：

　　(1-1)

　　式中C是超聲波在液體中傳播的速度；ρ為液體的密度；K為壓縮系數(shù)。對于特定的液體，其壓縮系數(shù)K是常數(shù)，只要測得超聲波在液體中的傳播速度，就可以計算出液體的密度。而速度的測量則可由超聲波在液體中所經(jīng)過的聲程以及傳播時間所決定。

　　2. 基于FPGA的控制和運算電路的設計

　　由于FPGA芯片的頻率很高，容易設計實現(xiàn)幾十兆甚至上百兆的時鐘電路，因此很適合于用來設計高速計時電路。本設計中選用Altera公司的CycloneⅡ系列芯片，該系列芯片的工作頻率可高達400MHz，足以滿足本設計的需要。軟件開發(fā)平臺為QuartusⅡ。電路（包括模擬、數(shù)字部分）的整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路原理圖

　　2.1方脈沖生成模塊

　　方脈沖生成模塊的作用是產(chǎn)生一定頻率的方脈沖用以激勵發(fā)射探頭工作。方脈沖頻率的選擇范圍應該是探頭壓電晶片振動頻率(本設計中為2MHz)的1/10，因此選擇200KHz，其產(chǎn)生是由基于FPGA的方脈沖信號發(fā)生器來實現(xiàn)[1]。其外部引腳結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中輸入信號為clk(時鐘) 和en(使能端) ，輸出信號為dout[7…0]。

　　2.2 高速計數(shù)器的設計

　　高速計數(shù)器的設計是實現(xiàn)精確測量時間的核心。本設計中，為了獲得精確的計數(shù)頻率，采用了QuartusⅡ中內(nèi)嵌的鎖相環(huán)，外部的參考時鐘由16MHz的晶振提供，鎖相環(huán)所采用的倍頻為6倍，這樣就能獲得穩(wěn)定的96MHz的內(nèi)部時鐘。整體的原理圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。鎖相環(huán)（PLL3）的頻率輸出作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘，計數(shù)器(cnter)由四個十進制計數(shù)器組成，內(nèi)部設有FIFO，主要用于計數(shù)結(jié)果的讀取，當wrreq（寫允許）信號為高電平時，將計數(shù)結(jié)果寫入FIFO，F(xiàn)IFO的時鐘與計數(shù)器的時鐘同步；當接收電路的信號經(jīng)過光電耦合器到達rdreq（讀允許）端時，該端電平變?yōu)楦唠娖剑瑫rwrreq為低電平，此時計數(shù)結(jié)束，同時將計數(shù)結(jié)果送到輸出端，輸出計數(shù)結(jié)果。

圖2 高速計數(shù)器原理圖