基于FPGA的超聲波液體密度傳感器的設計
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0 引言
液體密度是許多工業(yè)中的重要參數，它可以直接參與生產(chǎn)過(guò)程中的控制和決策，因此對液體密度進(jìn)行快速而準確的在線(xiàn)檢測有著(zhù)重要的意義。尤其是在石油、化工、食品、醫藥等工業(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(lái)測量液體的密度有多種方法，隨著(zhù)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(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。對于特定的液體，其壓縮系數K是常數，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(guò)的聲程以及傳播時(shí)間所決定。
由于FPGA芯片的頻率很高，容易設計實(shí)現幾十兆甚至上百兆的時(shí)鐘電路，因此很適合于用來(lái)設計高速計時(shí)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(mǎn)足本設計的需要。軟件開(kāi)發(fā)平臺為QuartusⅡ。電路（包括
圖1 系統電路原理圖
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(dòng)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(lái)實(shí)現[1]。其外部引腳結構如圖4所示，圖中輸入信號為clk(時(shí)鐘) 和en(使能端) ，輸出信號為dout[7…0]。
2.2 高速計數器的設計
高速計數器的設計是實(shí)現精確測量時(shí)間的核心。本設計中，為了獲得精確的計數頻率，采用了QuartusⅡ中內嵌的鎖相環(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，這樣就能獲得穩定的96MHz的內部時(shí)鐘。整體的原理圖結構如圖2所示。鎖相環(huán)（PLL3）的頻率輸出作為計數器的計數時(shí)鐘，計數器(cnter)由四個(gè)十進(jìn)制計數器組成，內部設有FIFO，主要用于計數結果的讀取，當wrreq（寫(xiě)允許）信號為高電平時(shí)，將計數結果寫(xiě)入FIFO，FIFO的時(shí)鐘與計數器的時(shí)鐘同步；當接收電路的信號經(jīng)過(guò)光電耦合器到達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)計數結束，同時(shí)將計數結果送到輸出端，輸出計數結果。
圖2 高速計數器原理圖
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