基于FPGA的超声波液体密度传感器的设计 (1)

　　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，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：

　　(1-1)

　　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，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。

图1 系统电路原理图

　　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，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，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，输出计数结果。

图2 高速计数器原理图