0 引言

液體密度是許多工業(yè)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(yī)藥等工業(yè)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(fā)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。

2. 基于FPGA的控制和運算電路的設計

由于FPGA芯片的頻率很高，容易設計實現(xiàn)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(fā)平臺為QuartusⅡ。電路（包括模擬、數字部分）的整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)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(fā)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(fā)生器來實現(xiàn)［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(xiàn)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(huán)，外部的參考時鐘由16MHz的晶振提供，鎖相環(huán)所采用的倍頻為6倍，這樣就能獲得穩(wěn)定的96MHz的內部時鐘。整體的原理圖結構如圖2所示。鎖相環(huán)（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，F(xiàn)IFO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?yōu)楦唠娖剑瑫rwrreq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

Fig.2 Principle picture of the high-speed counter

2.3 運算、補償模塊

運算、補償模塊分為計算和補償兩個部分。其作用是根據計數器的計數結果和補償電路對溫度修正后的結果計算液體的密度。本設計中發(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間可由計數器的計數結果（cntvalue）得到，因為單位計數的時間是計數頻率的倒數，所以有：

（2-1）

運算器結構如圖3所示。輸入c1和c2是計數值，經過并行乘法器運算后的結果送入并行除法器；因為壓縮系數K是常數，但每一種液體的K都不相同，因此整個密度計需要有對液體進行選擇的功能，圖中的sel模塊是實現(xiàn)這一功能的部分，輸入信號用來選擇待測液體，本設計中的密度計能夠測量300種液體，因此選擇信號為9位編碼的二進制數，選擇模塊的實質是一個存儲了各種液體壓縮系數的存儲器，根據選擇信號尋找待測液體密度的系數，其結果也送入除法器。

圖中的tem為溫度補償模塊。溫度對聲速的影響很大，在液體中，溫度每變化1℃將引起聲速約為2%的變化，而在實際環(huán)境中，一般會有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際測量引入8%以上的誤差。在利用超聲波聲速對液體密度進行測量時，為了提高精度，勢必就要對溫度進行補償［2］。

2.4 控制和運算電路

控制和運算電路的整體結構如圖4所示。其中pulse為方脈沖產生模塊；count為高速計數器；operate為運算和補償模塊；adc為A/D轉換控制模塊。整個系統(tǒng)的工作過程為：pulse模塊的使能端為高電平時，模塊開始工作，產生方脈沖；因為計數器的使能端與pulse的使能端共用，所以計數器在產生方脈沖的同時開始計數；pulse 的輸出pulse_out 經過處理后送入后續(xù)的模擬電路；計數器（count）在接收到rdreq端的高電平時停止計數，該信號來自于接收電路，此時計數結果送入運算補償模塊（operate）進行后續(xù)運算，同時，計數器的clr端清零，等待下一次計數；adc模塊控制A/D轉換器將溫度補償電路的信號轉換成數字量并且送入到運算補償模塊的補償部分進行查表運算。運算模塊負責最后的運算輸出。

圖3 運算、補償模塊結構

Fig.3 operation and compensation module

圖4 控制、運算整體結構圖

Fig.4 The construction of control and operation

3. 結論

實驗在常溫（20℃）、常壓（1標準大氣壓）下進行，待測液體為常用的水，其壓縮系數K=5×10-5/大氣壓。通過仿真（圖5）可以得到水的密度為1Kg/m3。這與實際結果相同。由于輸入信號多，這里只選擇了部分仿真信號。通過對時序的分析，可以得到整個電路整體上的延時為230ns，可見，系統(tǒng)地響應速度很高。

圖5 系統(tǒng)仿真結果

Fig.7 result for system simulation