基于FPGA的超声波液体密度传感器

体，本设计中的密度计能够测量300 种液体，因此选择信号为9 位编码的二进制数，选择模 块的实质是一个存储了各种液体压缩系数的存储器，根据选择信号寻找待测液体密度的系 数，其结果也送入除法器。
        图中的 tem 为温度补偿模块。温度对声速的影响很大，在液体中，温度每变化1℃将引 起声速约为2%的变化，而在实际环境中，一般会有40℃以上的温度变化范围，由此造成的 声速8%以上的变化就可能给实际测量引入8%以上的误差。在利用超声波声速对液体密度 进行测量时，为了提高精度www.cechina.cn，势必就要对温度进行补偿[2]。

        2.4 控制和运算电路
        控制和运算电路的整体结构如图 4 所示。其中pulse 为方脉冲产生模块；count 为高速 计数器；operate 为运算和补偿模块；adc 为A/D 转换控制模块。整个系统的工作过程为：pulse 模块的使能端为高电平时CONTROL ENGINEERING China版权所有，模块开始工作，产生方脉冲；因为计数器的使能端与pulse 的使 能端共用，所以计数器在产生方脉冲的同时开始计数；pulse 的输出pulse_out 经过处理后 送入后续的模拟电路；计数器（count）在接收到rdreq 端的高电平时停止计数，该信号来自 于接收电路，此时计数结果送入运算补偿模块（operate）进行后续运算，同时www.cechina.cn，计数器的 clr 端清零，等待下一次计数；adc 模块控制A/D 转换器将温度补偿电路的信号转换成数字 量并且送入到运算补偿模块的补偿部分进行查表运算。运算模块负责最后的运算输出。
        3. 结论
        实验在常温（20℃）、常压（1 标准大气压）下进行，待测液体为常用的水，其压缩系 数K=5×10-5/大气压。通过仿真（图5）可以得到水的密度为1Kg/m3。这与实际结果相同。 由于输入信号多CONTROL ENGINEERING China版权所有，这里只选择了部分仿真信号。通过对时序的分析，可以得到整个电路整体 上的延时为230ns，可见，系统地响应速度很高。

        本文作者创新点：目前在国内的有关杂志中还没有关于用FPGA 来设计超声波液体密度计 的；本文中高速计数器的设计非常有特点，不但利用了锁相环技术，而且在计数器中加入了 FIFO，使得计数输出更为稳定；运算模块中压缩系数选择单元的设计以及温度补偿模块的 加入。
        参考文献：
        [1] 徐文强www.cechina.cn，任勇峰等. 基于FPGA的高速脉冲信号源的设计与实现[J]. 微计算机信息，2007，
        1-2：251-252。
        [2] 吴玉玉. 超声测量的温度补偿设计[J]. 自动化与仪表，1995，4：9-11。
        作者简介：
        姚明林（1973—），女（汉族），河北唐山市人，唐山学院信息工程系讲师，硕士， 2005 年毕业北京科技大学检测及其自动化装置专业，主要从事传感器及检测方向的 研究。联系地址： 河北省唐山市华岩北路38 号。邮编： 063000 。

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