基于FPGA的控制和運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)液體密度是許多工業(yè)中的重要參數(shù)，它可以直接參與生產(chǎn)過(guò)程中的控制和決策，因此對(duì)液體密度進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的在線檢測(cè)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(lǐng)域，對(duì)密度的測(cè)量直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和消費(fèi)者的人身安全。超聲波液體密度計(jì)的工作原理用超聲波來(lái)測(cè)量液體的密度有多種方法，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，借助于聲速測(cè)量密度的方法得到了廣泛的應(yīng)用。這是因?yàn)槌暡ㄔ谝后w中傳播時(shí)，其聲速與液體的密度之間遵從下面的關(guān)系式：(1-1)式中c是超聲波在液體中傳播的速度；p為液體的密度;K為壓縮系數(shù)。對(duì)于特定的液體，其壓縮系數(shù)K是常數(shù)，只要測(cè)得超聲波在液體中的傳播速度，就可以計(jì)算出液體

的密度。而速度的測(cè)量則可由超聲波在液體中所經(jīng)過(guò)的聲程以及傳播時(shí)間所決定。.基于FPGA的控制和運(yùn)算電路的設(shè)計(jì)由于FPGA芯片的頻率很高，容易設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)幾十兆甚至上百兆的時(shí)鐘電路，因此很適合于用來(lái)設(shè)計(jì)高速計(jì)時(shí)電路。本設(shè)計(jì)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(dá)400MHz，足以滿足本設(shè)計(jì)的需要。軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為QuartusII。電路（包括模擬、數(shù)字部分）的整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。ITCi；維如dDOkjlz面1百r" 一___I計(jì)炫器；ITCi；維如dDOkjlz面1百r" 一___I計(jì)炫器；;計(jì)算傳ME寸；i4m速度i：計(jì)1:曾重度；Ji一—討裝停止恰號(hào);光電先勝;申發(fā)射叱路“痂需碑泛福金植分司腐產(chǎn)生尖需對(duì)拉恰轉(zhuǎn)補(bǔ)尋信圖圖1系統(tǒng)電路原理圖方脈沖生成模塊方脈沖生成模塊的作用是產(chǎn)生一定頻率的方脈沖用以激勵(lì)發(fā)射探頭工作。方脈沖頻率的選擇范圍應(yīng)該是探頭壓電晶片振動(dòng)頻率（本設(shè)計(jì)中為2MHz）的1/10,因此選擇200KHz，其產(chǎn)生是由基于FPGA的方脈沖信號(hào)發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)［1］。其外部引腳結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中輸入信號(hào)為clk（時(shí)鐘）和en（使能端），輸出信號(hào)為dout『…0］。高速計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)高速計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量時(shí)間的核心。本設(shè)計(jì)中，為了獲得精確的計(jì)數(shù)頻率，采用了QuartusII中？嵌的鎖相環(huán)，外部的參考時(shí)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(nèi)部時(shí)鐘。整體的原理圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。鎖相環(huán)（PLL3）的頻率輸出作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器（enter）由四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，內(nèi)部設(shè)有FIFO,主要用于計(jì)數(shù)結(jié)果的讀取，當(dāng)wrreq（寫(xiě)允許）信號(hào)為高電平時(shí)，將計(jì)數(shù)結(jié)果寫(xiě)入FIFO,FIFO的時(shí)鐘與計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘同步;當(dāng)接收電路的信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器到達(dá)rdreq（讀允許）端時(shí)，該端電平變?yōu)楦唠娖?，同時(shí)wrreq為低電平，此時(shí)計(jì)數(shù)結(jié)束，同時(shí)將計(jì)數(shù)結(jié)果送到輸出端,輸出計(jì)數(shù)結(jié)果。圖2高速計(jì)數(shù)器原理圖Fig.2Principlepictureofthehigh-speedcounter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：^34800*^(2-1)運(yùn)算器結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入cl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］?？刂坪瓦\(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(kāi)始工作，產(chǎn)生方脈

沖兩為計(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(kāi)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。。百劍15道instilJpmnnultO日31田田口6―01resuft[31.0]；：-=：sel[8..O]ktH.JJIp也5聞盟 _-numeral.Ojquotenpi.0]■。百劍15道instilJpmnnultO日31田田口6―01resuft[31.0]；：-=：sel[8..O]ktH.JJIp也5聞盟 _-numeral.Ojquotenpi.0]■d9jtom[31JQ]r&mainl31.Ojh4uTn*rsS1G?J￡D04廣一/fEI—簧三口1rtLLJllVUMUI..WIdatsbF-31..01圖圖3運(yùn)算、補(bǔ)償模塊結(jié)構(gòu)，，欣照總史二虬.“一時(shí)如用……，，欣照總史二虬.“一時(shí)如用……;…鯽；iHrraiirnirrrr-ir一■irf-^uiminimi-nirmin-rrji.mrpinn◎■/TP_ 1—__>兔”冊(cè)16!,4也cnq值0]enatl?rese；中健口璇qdrc1[15,,0]cen$iM31Qj卜閨傷刈^邢1國(guó)—嗽 eocdk如甌叫en圖4控制、運(yùn)算整體結(jié)構(gòu)圖Fig.4TheconstrucTIonofcontrolandoperaTIon3.結(jié)論實(shí)驗(yàn)在常溫（20℃）、常壓（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下進(jìn)行，待測(cè)液體為常