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中的重要參數，它可以直接參與生產過程中的控制和決策，因此對液體密度進行快速而準確的在線檢測有著重要的意義。尤其是在石油、化工、食品、醫藥等工業領域，對密度的測量直接關系到國民經濟和消費者的人身安全。
1 超聲波液體密度計的工作原理
用超聲波來測量液體的密度有多種方法，隨著電子技術的飛速發展，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，其聲速與液體的密度之間遵從下面的關系式：
(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過的聲程以及傳播時間所決定。
由于FPGA芯片的頻率很高，容易設計實現幾十兆甚至上百兆的時鐘電路，因此很適合于用來設計高速計時電路。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，足以滿足本設計的需要。軟件開發平臺為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生一定頻率的方脈沖用以激勵發射探頭工作。方脈沖頻率的選擇范圍應該是探頭壓電晶片振動頻率(本設計中為2MHz)的1/10，因此選擇200KHz，其產生是由基于FPGA的方脈沖信號發生器來實現[1]。其外部引腳結構如圖4所示，圖中輸入信號為clk(時鐘) 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現精確測量時間的核心。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，外部的參考時鐘由16MHz的晶振提供，鎖相環所采用的倍頻為6倍，這樣就能獲得穩定的96MHz的內部時鐘。整體的原理圖結構如圖2所示。鎖相環（PLL3）的頻率輸出作為計數器的計數時鐘，計數器(cnter)由四個十進制計數器組成，內部設有FIFO，主要用于計數結果的讀取，當wrreq（寫允許）信號為高電平時，將計數結果寫入FIFO，FIFO的時鐘與計數器的時鐘同步；當接收電路的信號經過光電耦合器到達rdreq（讀允許）端時，該端電平變為高電平，同時wrreq為低電平，此時計數結束，同時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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