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基于FPGA的超声波液体密度传感器

www.cechina.cn2009.09.27阅读 20070

        0 引言
        液体密度是许多工业中的重要参数,它可以直接参与生产过程中的控制和决策CONTROL ENGINEERING China版权所有,因此对 液体密度进行快速而准确的在线检测有着重要的意义。尤其是在石油、化工、食品、医药等 工业领域,对密度的测量直接关系到国民经济和消费者的人身安全。
        1 超声波液体密度计的工作原理
        用超声波来测量液体的密度有多种方法,随着电子技术的飞速发展,借助于声速测量密 度的方法得到了广泛的应用。这是因为超声波在液体中传播时,其声速与液体的密度之间遵 从下面的关系式:

关系式


        式中C 是超声波在液体中传播的速度;ρ 为液体的密度;K 为压缩系数。对于特定的液体, 其压缩系数K 是常数,只要测得超声波在液体中的传播速度,就可以计算出液体的密度。 而速度的测量则可由超声波在液体中所经过的声程以及传播时间所决定。
        2. 基于FPGA 的控制和运算电路的设计
        由于 FPGA 芯片的频率很高,容易设计实现几十兆甚至上百兆的时钟电路,因此很适合 于用来设计高速计时电路。本设计中选用Altera 公司的CycloneⅡ系列芯片www.cechina.cn,该系列芯片的 工作频率可高达400MHz,足以满足本设计的需要。软件开发平台为QuartusⅡ。电路(包 括模拟、数字部分)的整体系统框图如图1 所示。

整体系统框图


        2.1 方脉冲生成模块
        方脉冲生成模块的作用是产生一定频率的方脉冲用以激励发射探头工作。方脉冲频率的 选择范围应该是探头压电晶片振动频率(本设计中为2MHz)的1/10,因此选择200KHz,其 产生是由基于FPGA 的方脉冲信号发生器来实现[1]。其外部引脚结构如图4 所示,图中输入 信号为clk(时钟) 和en(使能端) ,输出信号为dout[7…0]。
        2.2 高速计数器的设计
        高速计数器的设计是实现精确测量时间的核心。本设计中,为了获得精确的计数频率, 采用了QuartusⅡ中內嵌的锁相环,外部的参考时钟由16MHz 的晶振提供,锁相环所采用的 倍频为6 倍,这样就能获得稳定的96MHz 的内部时钟。整体的原理图结构如图2 所示。锁 相环(PLL3)的频率输出作为计数器的计数时钟CONTROL ENGINEERING China版权所有,计数器(cnter)由四个十进制计数器组成, 内部设有FIFO,主要用于计数结果的读取,当wrreq(写允许)信号为高电平时,将计数结 果写入FIFO控制工程网版权所有,FIFO 的时钟与计数器的时钟同步;当接收电路的信号经过光电耦合器到达 rdreq(读允许)端时,该端电平变为高电平,同时wrreq 为低电平,此时计数结束,同时将 计数结果送到输出端www.cechina.cn,输出计数结果。

高速计数器原理图


        2.3 运算、补偿模块
        运算、补偿模块分为计算和补偿两个部分。其作用是根据计数器的计数结果和补偿电路 对温度修正后的结果计算液体的密度。本设计中发射和接收探头之间的距离为2cm;声波在 两探头之间传递的时间可由计数器的计数结果(cntvalue)得到,因为单位计数的时间是计 数频率的倒数,所以有:

计 数频率


        运算器结构如图3 所示。输入c1 和c2 是计数值,经过并行乘法器运算后的结果送入并 行除法器;因为压缩系数K 是常数,但每一种液体的K 都不相同,因此整个密度计需要有 对液体进行选择的功能,图中的sel 模块是实现这一功能的部分,输入信号用来选择待测液

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