基于FPGA的高精度液體密度測量儀設(shè)計(jì)

崔永俊 李康康 楊衛(wèi)鵬

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引 言

密度是一種表征物質(zhì)屬性的重要物理量，是工業(yè)生產(chǎn)控制與決策中必須要考慮的重要指標(biāo)[1]。企業(yè)液體原材料庫管收發(fā)、戰(zhàn)斗機(jī)加油等其他情境下，都需要適時(shí)精確測量密度來判斷液體原材料或戰(zhàn)機(jī)使用航空油是否合格。而傳統(tǒng)液體密度測量儀如振動式液體密度測量儀、電容式液體密度測量儀存在著精度太低，維護(hù)不易的問題；射線式液體密度測量儀，存在輻射危害的問題[2]。

近年來，隨著高新科技的發(fā)展，提出了超聲法測量液體密度的新思路。目前，我國的超聲波密度測量儀還處于早期研究階段，成品密度測量儀大多引進(jìn)國外科研技術(shù)[3]；而國外的超聲波液體密度測量儀產(chǎn)品已經(jīng)相對趨于成熟，歐美一些公司都推出了自主研發(fā)的超聲波液體密度測量儀成品。這些密度測量儀精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定，且對現(xiàn)場工作環(huán)境要求低，能夠滿足不同性質(zhì)的液體密度測量需求，已經(jīng)成功運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中[4]。

為解決傳統(tǒng)密度測量儀不能滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)需求的問題，設(shè)計(jì)了基于FPGA的高精度液體密度測量儀。該系統(tǒng)作為一種非接觸式密度測量儀，只需將超聲波換能器安裝在裝有待測液體的容器外壁，通過測量超聲波在液體中的傳播時(shí)間即可快速實(shí)現(xiàn)液體密度的精確測量，而且安全，易于維護(hù)。

1 高精度液體密度測量儀的工作原理

1.1 測量原理

時(shí)差法測量液體密度的原理是：當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，相位會隨著傳播時(shí)間的不同而發(fā)生不同改變[5]。在傳播距離一定的情況下，超聲波傳播時(shí)間的長短與液體的密度是相關(guān)的。超聲波在液體中傳播速度與液體的密度存在的以下關(guān)系[6]：

式中：C——超聲波在液體介質(zhì)中的傳播速度；

ρ——液體的密度；

E——液體的彈性模量。

式中：ΔΤ——超聲波在液體中的傳播時(shí)間；

L——超聲波在液體中的傳播距離。

結(jié)合式（1）和式（2），可計(jì)算得出待測液體的密度為

由式（3）可知，在超聲波傳播距離L已知的情況下，只要精確測量出超聲波傳播時(shí)間ΔΤ，就可以計(jì)算出液體密度。

1.2 換能器安裝示意圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取分步式安裝超聲波換能器。如圖 1 中 2 對換能器（ЕΑ1與ЕB1、ЕΑ2與ЕB2）分別十字交叉相對等高安裝在盛有待測液體容器的豎直外壁上。容器中的液面高度必須高于換能器，以便超聲波穿過液體，從而保證測量數(shù)據(jù)的有效性。系統(tǒng)利用一組換能器測得一個(gè)密度值ρ1，通道切換電路進(jìn)行通道切換，系統(tǒng)使用另一組換能器完成又一次測量，得到另一個(gè)密度值ρ2，最終，液體密度值為

圖1 換能器安裝示意圖

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

液體密度能否精確測量的關(guān)鍵在于超聲波傳播時(shí)間的精確測量。常用的超聲波密度測量方法有計(jì)數(shù)法和相位法。計(jì)數(shù)法雖然實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，但是對傳播時(shí)間的測量精度理論上只能達(dá)到驅(qū)動信號的一個(gè)周期，實(shí)際測量精度還要更低[7]。相位差法測量超聲波傳播時(shí)間存在不可避免的問題：在實(shí)際相位差測量中，若兩個(gè)信號相位差恰好為信號周期的整數(shù)倍數(shù)，就會產(chǎn)生波形重合，無法測量相位差的真實(shí)大小，最終導(dǎo)致測量密度失敗[8]。

為解決以上問題，系統(tǒng)采用超聲波時(shí)間測量方法——整零分測技術(shù)。如圖2所示，首先采用計(jì)數(shù)法測量超聲波在液體中傳播時(shí)間的整數(shù)倍周期部分，再用相位差法精確確定小于一個(gè)周期的傳播時(shí)間部分，最終兩者相加結(jié)果即為精確的超聲波傳播時(shí)間。

設(shè)計(jì)數(shù)器鎖存信息為n，信號周期為T，相位法測得相位差為Δ?，則可得到：

圖2 超聲波傳播時(shí)間測量示意圖

即

把式（6）帶入式（3）中即可計(jì)算出待測液體密度為

3 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高精度液體密度測量儀的結(jié)構(gòu)主要包括超聲波換能器組、通道切換電路、放大電路、相位比較電路、功率放大電路、濾波電路、整形電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、FPGA核心控制電路、中央處理器ARM、LCD顯示電路和USB接口電路等外圍電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA芯片對自身資源和A/D轉(zhuǎn)換電路等進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。檢測到上位機(jī)軟件下發(fā)的測量命令后，F(xiàn)PGA發(fā)出1MHz脈沖信號作為驅(qū)動信號，驅(qū)動換能器產(chǎn)生超聲波，同時(shí)一同頻時(shí)鐘計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。回波信號經(jīng)過放大濾波整形后分成兩路信號，其中一路作為計(jì)數(shù)中斷信號進(jìn)入FPGA，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并鎖存計(jì)數(shù)信息。計(jì)數(shù)器鎖存數(shù)據(jù)即為超聲波信號到達(dá)接收端經(jīng)過的整數(shù)倍周期數(shù)。另一路信號與原始信號進(jìn)行相位比較。將此相位差信息換算為時(shí)間后與第1步測定的整數(shù)倍周期時(shí)間相加，即可得準(zhǔn)確的超聲波傳播時(shí)間。利用預(yù)先建立數(shù)學(xué)模型對傳播時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得到液體的準(zhǔn)確密度值，同時(shí)送到LCD顯示。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

相位比較模塊和A/D采集模塊電路的合理搭建是精確測量超聲波在液體中傳播時(shí)間的關(guān)鍵。

3.1.1 相位比較模塊電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，系統(tǒng)采用74HC4046相位監(jiān)督輸出芯片搭建相位比較模塊電路。相位比較模塊是用來測定超聲波傳播時(shí)間去掉整數(shù)倍周期后不足一個(gè)周期部分的時(shí)間。為了區(qū)分臨界狀態(tài)的情況，在相位比較模塊電路的輸入端加入一個(gè)延遲器，若電路判斷該信號處于臨界狀態(tài)，將該信號通過延遲器后再進(jìn)行相位比較，比較完畢后再將延遲部分相減來恢復(fù)信號[9]。相位比較電路輸出結(jié)果為0～10V的電壓信號，輸出結(jié)果為0V表示兩信號相位差為0°，輸出結(jié)果為10V表示兩信號相位相差為360°。

3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 相位比較模塊電路設(shè)計(jì)

為便于FPGA讀取經(jīng)過濾波電路濾除噪聲后的模擬相位差信號，需要對其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[10]。A/D轉(zhuǎn)換電路分辨率的高低直接影響超聲波傳播時(shí)間的測量分辨率。如圖5所示，系統(tǒng)采用16位高速逐次逼近型高分辨率AD芯片組成A/D轉(zhuǎn)換電路（此處只需一個(gè)通道即可滿足需求）[11]。A/D轉(zhuǎn)換電路把標(biāo)示相位差信息的0～10 V電壓信號轉(zhuǎn)換為0000H～FFFFH的數(shù)字量傳送給FPGA。由于0～10V電壓信號對應(yīng)0°～360°相位差，因此經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換相當(dāng)于將相位的0°～360°平均分為65 536份，相位差分辨率約為0.0055°，實(shí)現(xiàn)了傳播時(shí)間的精密測量[12]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在高精度超聲波密度測量儀系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA控制整個(gè)系統(tǒng)的邏輯時(shí)序，控制各個(gè)模塊執(zhí)行相應(yīng)的功能。FPGA通過內(nèi)部定時(shí)器和計(jì)數(shù)器控制測量的進(jìn)行，定時(shí)器控制每次測量的時(shí)間間隔，計(jì)數(shù)器記錄超聲波整數(shù)倍傳播周期的倍數(shù)。

系統(tǒng)上電后，ARM接收上位機(jī)命令并下發(fā)至FPGA，F(xiàn)PGA完成對自身定時(shí)器、16位計(jì)數(shù)器、40分頻、2分頻40 MHz高速時(shí)鐘等內(nèi)部資配置，并完成Flash高速存儲模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊的配置。FPGA配置A/D轉(zhuǎn)換電路的過程如下：將REF SELECT拉高，使A/D電路工作時(shí)選用內(nèi)部準(zhǔn)電壓；PAR/SER/BYTE_SEL拉低，采用并行模式；RANGE引腳拉高，使A/D電路的輸入范圍設(shè)置為10 V；OS總線設(shè)置為001，采用AD芯片內(nèi)部自帶數(shù)字濾波器，改善信噪比（SNR），提高測量精度。FPGA配置完畢，進(jìn)入等待狀態(tài)。

圖5 A/D采集模塊電路設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)檢測到開始測量命令時(shí)，F(xiàn)PGA發(fā)出1 MHz的脈沖信號，驅(qū)動換能器發(fā)出超聲波，同時(shí)FPGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器以同頻時(shí)鐘計(jì)數(shù)，信號經(jīng)過液體傳播到接收換能器。經(jīng)過接收電路處理后，分一路信號進(jìn)入FPGA申請一個(gè)計(jì)數(shù)中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，鎖存計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。另一路信號進(jìn)入相位比較電路，與原信號進(jìn)行相位比較，F(xiàn)PGA控制A/D電路以20 MHz采樣率采集相位差信息并讀取，F(xiàn)PGA內(nèi)部ALU單元計(jì)算總的傳播時(shí)間，傳播時(shí)間測量流程如圖6所示。

圖6 傳播時(shí)間測量流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境。配制10種不同濃度的硫酸溶液，分別盛放在10個(gè)直徑相同的燒杯中，燒杯放置于20℃恒溫環(huán)境。系統(tǒng)測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)密度的對比結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)密度與系統(tǒng)測量密度比較表

由表中數(shù)據(jù)分析可得，系統(tǒng)密度測量分辨率達(dá)0.0001g/cm3，絕對誤差最大為 0.000 4 g/cm3，相對誤差小于0.04%。從圖7可以看出標(biāo)準(zhǔn)密度曲線與系統(tǒng)測量密度曲線幾乎重合，誤差可以忽略不計(jì)，滿足工業(yè)生產(chǎn)對液體原材料密度精確測量的要求。誤差主要由電路板發(fā)熱，人工操作，環(huán)境因素等對傳播時(shí)間測量帶來的微小誤差而造成。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的高精度液體密度測量儀。系統(tǒng)基于聲速法的超聲波密度檢測技術(shù)，采用計(jì)數(shù)法和相位法分步精確測量超聲波傳播時(shí)間，并把超聲波傳輸時(shí)間數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)上傳數(shù)據(jù)和已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)計(jì)算出液體密度值，下發(fā)給ARM，通過LCD適時(shí)顯示。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出系統(tǒng)的測量分辨率達(dá)0.0001g/cm3，相對誤差小于0.04%，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求標(biāo)準(zhǔn)，具有很高實(shí)用價(jià)值，廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 測量密度與標(biāo)準(zhǔn)密度比較圖

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