基于FPGA的超聲波液體密度傳感器的設(shè)計(jì)

　　2.3 運(yùn)算、補(bǔ)償模塊

　　運(yùn)算、補(bǔ)償模塊分為計(jì)算和補(bǔ)償兩個(gè)部分。其作用是根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果和補(bǔ)償電路對(duì)溫度修正后的結(jié)果計(jì)算液體的密度。本設(shè)計(jì)中發(fā)射和接收探頭之間的距離為2cm；聲波在兩探頭之間傳遞的時(shí)間可由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果（cntvalue）得到，因?yàn)閱挝挥?jì)數(shù)的時(shí)間是計(jì)數(shù)頻率的倒數(shù)，所以有：

　　(2-1)

　　運(yùn)算器結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入c1和c2是計(jì)數(shù)值，經(jīng)過(guò)并行乘法器運(yùn)算后的結(jié)果送入并行除法器；因?yàn)閴嚎s系數(shù)K是常數(shù)，但每一種液體的K都不相同，因此整個(gè)密度計(jì)需要有對(duì)液體進(jìn)行選擇的功能，圖中的sel模塊是實(shí)現(xiàn)這一功能的部分，輸入信號(hào)用來(lái)選擇待測(cè)液體，本設(shè)計(jì)中的密度計(jì)能夠測(cè)量300種液體，因此選擇信號(hào)為9位編碼的二進(jìn)制數(shù)，選擇模塊的實(shí)質(zhì)是一個(gè)存儲(chǔ)了各種液體壓縮系數(shù)的存儲(chǔ)器，根據(jù)選擇信號(hào)尋找待測(cè)液體密度的系數(shù)，其結(jié)果也送入除法器。

圖3 運(yùn)算、補(bǔ)償模塊結(jié)構(gòu)

　　圖中的tem為溫度補(bǔ)償模塊。溫度對(duì)聲速的影響很大，在液體中，溫度每變化1℃將引起聲速約為2%的變化，而在實(shí)際環(huán)境中，一般會(huì)有40℃以上的溫度變化范圍，由此造成的聲速8%以上的變化就可能給實(shí)際測(cè)量引入8%以上的誤差。在利用超聲波聲速對(duì)液體密度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了提高精度，勢(shì)必就要對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償[2]。

　　2.4 控制和運(yùn)算電路

　　控制和運(yùn)算電路的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中pulse為方脈沖產(chǎn)生模塊；count為高速計(jì)數(shù)器；operate為運(yùn)算和補(bǔ)償模塊；ADC為A/D轉(zhuǎn)換控制模塊。整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程為：pulse模塊的使能端為高電平時(shí)，模塊開始工作，產(chǎn)生方脈沖；因?yàn)橛?jì)數(shù)器的使能端與pulse的使能端共用，所以計(jì)數(shù)器在產(chǎn)生方脈沖的同時(shí)開始計(jì)數(shù)；pulse 的輸出pulse_out 經(jīng)過(guò)處理后送入后續(xù)的模擬電路；計(jì)數(shù)器（count）在接收到rdreq端的高電平時(shí)停止計(jì)數(shù)，該信號(hào)來(lái)自于接收電路，此時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)果送入運(yùn)算補(bǔ)償模塊（operate）進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算，同時(shí)，計(jì)數(shù)器的clr端清零，等待下一次計(jì)數(shù)；adc模塊控制A/D轉(zhuǎn)換器將溫度補(bǔ)償電路的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并且送入到運(yùn)算補(bǔ)償模塊的補(bǔ)償部分進(jìn)行查表運(yùn)算。運(yùn)算模塊負(fù)責(zé)最后的運(yùn)算輸出。

圖4 控制、運(yùn)算整體結(jié)構(gòu)圖