基于FPGA的超聲波液體密度傳感器的設(shè)計(jì)

　　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(guò)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(lái)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)槌暡ㄔ谝后w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(guò)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(lái)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(kāi)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(lái)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(guò)光電耦合器到達(dá)rdreq（讀允許）端時(shí)，該端電平變?yōu)楦唠娖?，同時(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