0 导言
液体密度是许多工业中的重要参数，它能够直接参与出产进程中的操控和决议计划，因而对液体密度进行快速而准确的在线检测有着重要的含义。尤其是在石油、化工、食物、医药等工业范畴，对密度的丈量直接关系到国民经济和顾客的人身安全。
1 超声波液体密度计的作业原理
用超声波来丈量液体的密度有多种办法，跟着电子技术的飞速发展，借助于声速丈量密度的办法得到了广泛的使用。这是因为超声波在液体中传达时，其声速与液体的密度之间遵照下面的关系式：
（1-1）
式中C是超声波在液体中传达的速度；ρ为液体的密度；K为压缩系数。关于特定的液体，其压缩系数K是常数，只需测得超声波在液体中的传达速度，就能够核算出液体的密度。而速度的丈量则可由超声波在液体中所经过的声程以及传达时刻所决议。
2. 依据FPGA的操控和运算电路的规划
因为FPGA芯片的频率很高，简单规划完成几十兆乃至上百兆的时钟电路，因而很适合于用来规划高速计时电路。本规划中选用Altera公司的CycloneⅡ系列芯片，该系列芯片的作业频率可高达400MHz，足以满足本规划的需求。软件开发渠道为QuartusⅡ。电路（包含模仿、数字部分）的全体体系框图如图1所示。
图1 体系电路原理图
2.1方脉冲生成模块
方脉冲生成模块的作用是发生必定频率的方脉冲用以鼓励发射探头作业。方脉冲频率的挑选规模应该是探头压电晶片振荡频率（本规划中为2MHz）的1/10，因而挑选200KHz，其发生是由依据FPGA的方脉冲信号发生器来完成［1］。其外部引脚结构如图4所示，图中输入信号为clk（时钟） 和en（使能端） ，输出信号为dout［7…0］。
2.2 高速计数器的规划
高速计数器的规划是完成准确丈量时刻的中心。本规划中，为了取得准确的计数频率，选用了QuartusⅡ中內嵌的锁相环，外部的参阅时钟由16MHz的晶振供给，锁相环所选用的倍频为6倍，这样就能取得安稳的96MHz的内部时钟。全体的原理图结构如图2所示。锁相环（PLL3）的频率输出作为计数器的计数时钟，计数器（cnter）由四个十进制计数器组成，内部设有FIFO，首要用于计数成果的读取，当wrreq（写答应）信号为高电平时，将计数成果写入FIFO，FIFO的时钟与计数器的时钟同步；当接纳电路的信号经过光电耦合器抵达rdreq（读答应）端时，该端电平变为高电平，一起wrreq为低电平，此刻计数完毕，一起将计数成果送到输出端，输出计数成果。
图2 高速计数器原理图
Fig.2 Principle picture of the high-speed counter
2.3 运算、补偿模块
运算、补偿模块分为核算和补偿两个部分。其作用是依据计数器的计数成果和补偿电路对温度修正后的成果核算液体的密度。本规划中发射和接纳探头之间的间隔为2cm；声波在两探头之间传递的时刻可由计数器的计数成果（cntvalue）得到，因为单位计数的时刻是计数频率的倒数，所以有：
（2-1）
运算器结构如图3所示。输入c1和c2是计数值，经过并行乘法器运算后的成果送入并行除法器；因为压缩系数K是常数，但每一种液体的K都不相同，因而整个密度计需求有对液体进行挑选的功用，图中的sel模块是完成这一功用的部分，输入信号用来挑选待测液体，本规划中的密度计能够丈量300种液体，因而挑选信号为9位编码的二进制数，挑选模块的本质是一个存储了各种液体压缩系数的存储器，依据挑选信号寻觅待测液体密度的系数，其成果也送入除法器。
图中的tem为温度补偿模块。温度对声速的影响很大，在液体中，温度每改变1℃将引起声速约为2%的改变，而在实践环境中，一般会有40℃以上的温度改变规模，由此形成的声速8%以上的改变就可能给实践丈量引进8%以上的差错。在使用超声波声速对液体密度进行丈量时，为了进步精度，必然就要对温度进行补偿［2］。
2.4 操控和运算电路
操控和运算电路的全体结构如图4所示。其间pulse为方脉冲发生模块；count为高速计数器；operate为运算和补偿模块；adc为A/D转化操控模块。整个体系的作业进程为：pulse模块的使能端为高电平时，模块开端作业，发生方脉冲；因为计数器的使能端与pulse的使能端共用，所以计数器在发生方脉冲的一起开端计数；pulse 的输出pulse_out 经过处理后送入后续的模仿电路；计数器（count）在接纳到rdreq端的高电平时中止计数，该信号来自于接纳电路，此刻计数成果送入运算补偿模块（operate）进行后续运算，一起，计数器的clr端清零，等候下一次计数；adc模块操控A/D转化器将温度补偿电路的信号转化成数字量而且送入到运算补偿模块的补偿部分进行查表运算。运算模块担任最终的运算输出。
图3 运算、补偿模块结构
Fig.3 operation and compensaTIon module
图4 操控、运算全体结构图
Fig.4 The construcTIon of control and operaTIon
3. 定论
试验在常温（20℃）、常压（1标准大气压）下进行，待测液体为常用的水，其压缩系数K=5×10-5/大气压。经过仿真（图5）能够得到水的密度为1Kg/m3。这与实践成果相同。因为输入信号多，这儿只挑选了部分仿真信号。经过对时序的剖析，能够得到整个电路全体上的延时为230ns，可见，体系地响应速度很高。
图5 体系仿真成果
Fig.7 result for system simulaTIon
