基于FPGA的超聲波液體密度傳感器的設計

　　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(jù)計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果和補償電路對溫度修正后的結(jié)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(shù)器的計數(shù)結(jié)果（cntvalue）得到，因為單位計數(shù)的時間是計數(shù)頻率的倒數(shù)，所以有：

　　(2-1)

　　運算器結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入c1和c2是計數(shù)值，經(jīng)過并行乘法器運算后的結(jié)果送入并行除法器；因為壓縮系數(shù)K是常數(shù)，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(shù)，選擇模塊的實質(zhì)是一個存儲了各種液體壓縮系數(shù)的存儲器，根據(jù)選擇信號尋找待測液體密度的系數(shù)，其結(jié)果也送入除法器。

圖3 運算、補償模塊結(jié)構(gòu)

　　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(jié)構(gòu)如圖4所示。其中pulse為方脈沖產(chǎn)生模塊；count為高速計數(shù)器；operate為運算和補償模塊；ADC為A/D轉(zhuǎn)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(chǎn)生方脈沖；因為計數(shù)器的使能端與pulse的使能端共用，所以計數(shù)器在產(chǎn)生方脈沖的同時開始計數(shù)；pulse 的輸出pulse_out 經(jīng)過處理后送入后續(xù)的模擬電路；計數(shù)器（count）在接收到rdreq端的高電平時停止計數(shù)，該信號來自于接收電路，此時計數(shù)結(jié)果送入運算補償模塊（operate）進行后續(xù)運算，同時，計數(shù)器的clr端清零，等待下一次計數(shù)；adc模塊控制A/D轉(zhuǎn)換器將溫度補償電路的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)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4 控制、運算整體結(jié)構(gòu)圖