基于FPGA的超聲波液體密度傳感器

　　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(duì)液體密度進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的在線檢測(cè)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(duì)密度的測(cè)量直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和消費(fèi)者的人身安全。

　　1 超聲波液體密度計(jì)的工作原理

　　用超聲波來測(cè)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(cè)量密度的方法得到了廣泛的應(yīng)用。這是因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/超聲波">超聲波在液體中傳播時(shí)，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(duì)于特定的液體，其壓縮系數(shù)K是常數(shù)，只要測(cè)得超聲波在液體中的傳播速度，就可以計(jì)算出液體的密度。而速度的測(cè)量則可由超聲波在液體中所經(jīng)過的聲程以及傳播時(shí)間所決定。

　　2. 基于FPGA的控制和運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)

　　由于FPGA芯片的頻率很高，容易設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)幾十兆甚至上百兆的時(shí)鐘電路，因此很適合于用來設(shè)計(jì)高速計(jì)時(shí)電路。本設(shè)計(jì)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(dá)400MHz，足以滿足本設(shè)計(jì)的需要。軟件開發(fā)平臺(tái)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(lì)發(fā)射探頭工作。方脈沖頻率的選擇范圍應(yīng)該是探頭壓電晶片振動(dòng)頻率(本設(shè)計(jì)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(hào)發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)[1]。其外部引腳結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中輸入信號(hào)為clk(時(shí)鐘) 和en(使能端) ，輸出信號(hào)為dout[7…0]。

　　2.2 高速計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

　　高速計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量時(shí)間的核心。本設(shè)計(jì)中，為了獲得精確的計(jì)數(shù)頻率，采用了QuartusⅡ中內(nèi)嵌的鎖相環(huán)，外部的參考時(shí)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(shí)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器(cnter)由四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，內(nèi)部設(shè)有FIFO，主要用于計(jì)數(shù)結(jié)果的讀取，當(dāng)wrreq（寫允許）信號(hào)為高電平時(shí)，將計(jì)數(shù)結(jié)果寫入FIFO，F(xiàn)IFO的時(shí)鐘與計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘同步；當(dāng)接收電路的信號(hào)經(jīng)過光電耦合器到達(dá)rdreq（讀允許）端時(shí)，該端電平變?yōu)楦唠娖剑瑫r(shí)wrreq為低電平，此時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)束，同時(shí)將計(jì)數(shù)結(jié)果送到輸出端，輸出計(jì)數(shù)結(jié)果。

圖2 高速計(jì)數(shù)器原理圖

Fig.2 Principle picture of the high-speed counter

　　2.3 運(yùn)算、補(bǔ)償模塊

　　運(yùn)算、補(bǔ)償模塊分為計(jì)算和補(bǔ)償兩個(gè)部分。其作用是根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果和補(bǔ)償電路對(duì)溫度修正后的結(jié)果計(jì)算液體的密度。本設(shè)計(jì)中發(fā)射和接收探頭之間的距離為2cm；聲波在兩探頭之間傳遞的時(shí)間可由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果（cntvalue）得到，因?yàn)閱挝挥?jì)數(shù)的時(shí)間是計(jì)數(shù)頻率的倒數(shù)，所以有：

(2-1)

　　運(yùn)算器結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入c1和c2是計(jì)數(shù)值，經(jīng)過并行乘法器運(yùn)算后的結(jié)果送入并行除法器；因?yàn)閴嚎s系數(shù)K是常數(shù)，但每一種液體的K都不相同，因此整個(gè)密度計(jì)需要有對(duì)液體進(jìn)行選擇的功能，圖中的sel模塊是實(shí)現(xiàn)這一功能的部分，輸入信號(hào)用來選擇待測(cè)液體，本設(shè)計(jì)中的密度計(jì)能夠測(cè)量300種液體，因此選擇信號(hào)為9位編碼的二進(jìn)制數(shù)，選擇模塊的實(shí)質(zhì)是一個(gè)存儲(chǔ)了各種液體壓縮系數(shù)的存儲(chǔ)器，根據(jù)選擇信號(hào)尋找待測(cè)液體密度的系數(shù)，其結(jié)果也送入除法器。

　　圖中的tem為溫度補(bǔ)償模塊。溫度對(duì)聲速的影響很大，在液體中，溫度每變化1℃將引起聲速約為2%的變化，而在實(shí)際環(huán)境中，一般會(huì)有40℃以上的溫度變化范圍，由此造成的聲速8%以上的變化就可能給實(shí)際測(cè)量引入8%以上的誤差。在利用超聲波聲速對(duì)液體密度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了提高精度，勢(shì)必就要對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償[2]。

　　2.4 控制和運(yùn)算電路

　　控制和運(yùn)算電路的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中pulse為方脈沖產(chǎn)生模塊；count為高速計(jì)數(shù)器；operate為運(yùn)算和補(bǔ)償模塊；adc為A/D轉(zhuǎn)換控制模塊。整個(gè)系統(tǒng)的工作過程為：pulse模塊的使能端為高電平時(shí)，模塊開始工作，產(chǎn)生方脈沖；因?yàn)橛?jì)數(shù)器的使能端與pulse的使能端共用，所以計(jì)數(shù)器在產(chǎn)生方脈沖的同時(shí)開始計(jì)數(shù)；pulse 的輸出pulse_out 經(jīng)過處理后送入后續(xù)的模擬電路；計(jì)數(shù)器（count）在接收到rdreq端的高電平時(shí)停止計(jì)數(shù)，該信號(hào)來自于接收電路，此時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)果送入運(yùn)算補(bǔ)償模塊（operate）進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算，同時(shí)，計(jì)數(shù)器的clr端清零，等待下一次計(jì)數(shù)；adc模塊控制A/D轉(zhuǎn)換器將溫度補(bǔ)償電路的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并且送入到運(yùn)算補(bǔ)償模塊的補(bǔ)償部分進(jìn)行查表運(yùn)算。運(yùn)算模塊負(fù)責(zé)最后的運(yùn)算輸出。

圖3 運(yùn)算、補(bǔ)償模塊結(jié)構(gòu)

Fig.3 operation and compensation module

圖4 控制、運(yùn)算整體結(jié)構(gòu)圖

Fig.4 The construction of control and operation

　　3. 結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)在常溫（20℃）、常壓（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下進(jìn)行，待測(cè)液體為常用的水，其壓縮系數(shù)K=5×10-5/大氣壓。通過仿真（圖5）可以得到水的密度為1Kg/m3。這與實(shí)際結(jié)果相同。由于輸入信號(hào)多，這里只選擇了部分仿真信號(hào)。通過對(duì)時(shí)序的分析，可以得到整個(gè)電路整體上的延時(shí)為230ns，可見，系統(tǒng)地響應(yīng)速度很高。

圖5 系統(tǒng)仿真結(jié)果

Fig.7 result for system simulation