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基于FPGA的液位检测系统的前端设计摘要本设计是关于一个基于FPGA的液位检测系统的设计，即设计合适的传感器来对液位的信号进行采集，然后在FPGA上对信号进行处理，主要是对FPGA用VHDL进行编程，建立若干逻辑模块对数据进行一系列的处理，最后利用LED来对信号进行输出显示。本文着重介绍了这个系统的液位检测信号采集的前端设计，前端设计包括传感器模块、放大电路模块以及AD转换模块的设计，它是整个液位检测设计的基础，主要目的是数据的采集即如何获得高质量的液位信号，然后对其进行加工处理传送。本文介绍的前端设计能实现结构简化,系统精度较好，适用性强，具有良好的人机交互功能。关键词：液位检测，传感器，FPGA,VHDL第一章 引言1.1液位检测的意义液位检测广泛用于各种行业领域，它几乎遍及生产与生活的各个领域,尤其工业生产过程如石油、化工、医药和食品等行业领域中, 液体的测量不但要求精度高,还需很好地适应工业现场的特殊环境,具有在恶劣环境下持续传感的能力, 由于液体性质物理环境的复杂性，给准确检测液位变化带来的很大的困难。故对液位测量提出了精确、实时、在线的要求。随着科学技术与生产的迅速发展,液位自动检测领域出现了种类多样的测量手段，对其经济性、技术性提出了很高的要求。1.2液位检测的发展现状和趋势 由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。1.3 液位检测系统的任务和所要达到的目标该系统功能结构主要分为五个方面：一、使用压力传感器去采集与压力相对应的电压值；二、由于本系统使用的传感器MPX53输出电压较小（毫伏级），所以输出电压必须经过放大电路放大再传送至A/D转换器；三、从A/D转换器出来后的信号变成了相应的数字信号，再将其传送给FPGA芯片；四、对FPGA用VHDL进行编程，建立若干逻辑模块对数据进行一系列的处理与控制（包括MAX197控制模块、数制转换模块以及LCD驱动模块）；最后，把信号传送给LCD进行显示。液位检测功能图如图1-1所示。我设计的部分是信号的采集即前端设计，其设计模块图1-2所示：其中包括传感器模块、放大电路模块、AD转换模块的设计，设计所要达到的目标是硬件系统的结构简化,系统精度较好，适用性强，具有良好的人机交互功能，有问题就能立即发现，通过实现水位的显示以便自动调节控制液位。液位控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小第二章 传感器模块的设计方案2.1传感器简介传感器，指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。 而本设计的测量对象是液体，所选择的传感器能够准确反映液位的变化，所选择的传感器应该符合以上要求，我们知道压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍压阻式力传感器原理: 电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 选择了合适的传感器，为了节约成本，同时保证传感器的测量精度及稳定度达到技术指定要求，需要对原始芯片进行合理的封装，实现压力传感器内部无可动部件，保证传感器抗冲击、抗震动，从而保护了内部芯片，对于MPX53D型号压力传感器芯片，对其进行封装应注意的问题是测量软管的选择，应根据芯片的端口选择合适的软管，封装时应保证其密封度。2.2 前端设计的传感器模块的设计方案根据以上传感器的选择原则，考虑到测量范围、量程、重复性、可靠性等因数，而本实验环境是量程较小的液体，有两种方案可供选择参考：一种方案是选用Motorola公司生产的MPX53D型号压力传感器作为前端采集器件，通过液位的高低不同所产生的压力值的不同，把采集到的电压值经过放大电路的放大以后，再传送到A/D 转换器的输入通道。另一种方案是APM公司生产的 BP300T, BP300T压力传感器是专为电子医疗器械（电子电子血压计）开发的一款气体压力传感器，标称压力为5.8PSI(300mmHg)，采用标准的小型DIP-6塑胶封装，完全代替NAIS ADP4系列、Honeywell HPX系列压力传感器。2.2.1方案一：MPX53D型号压力传感器是一个50kPa的非补偿性硅压力传感器，封装简单,允许用户自行设计和增加外部温度补偿和通信功能。除了接受水压的一面（P1），另一面为真空的（P2），正常工作下P1P2，两面所承受的最大压差为200ka，表1显示了MPX53D的基本特性。传感器提供了非常精确的电压输出与压力成正比，传感器的输出方程为：Vout=Voff+(V/P)P其中Voff为偏移电压典型值约为20mV，V/P为灵敏度典型值为1.2mv/kPa，P为检测对象的压力。图2-1显示了其在不同温度下的典型的输出特性。储藏温度与工作温度均在-40 +125，MPX53D是半导体的压阻式压力传感器，能够使电信号成比例输出，衡量该传感器的应变性能要依赖温度的变化，温度变化的范围需要温度补偿装置。图2-2显示了其实际与理论线性度，线性表示理想传感器的输出特性，由于种种原因实际的传感器总是非线性的，只能用线性度来表示其输出特性，有两种非线性的计算方法：终点直线拟合和最小二乘法拟合，摩托罗拉指定的压力传感器非线性的依据是终点直线法测的终端压力。 2.2.2方案二：BP300T压力传感器是专为电子医疗器械（电子电子血压计）开发的一款气体压力传感器，其外部结构图及内部结构原理图分别如图2-3、2-4所示：它具有结构简单、性能稳定、可靠性好、通用性强等优点，具有低廉的价格，替换性好等特点，其工作压力为300mmHg，能测量量程较小的气压或液体信号，其应用范围相对局限，是属于专用的一款传感器，主要适用于腕式臂式电子血压计、医疗按摩器等需要控制气体压力的设备和器械中。该传感器的优缺点是整机结构紧凑、精度、过载倍数和可靠性高，动作误差和温度系数小，成本较低，在各种实验室及医疗中能广泛应用，但封装要求较高，容易出现封装问题而影响测量精度。 对比以上两种方案的性能特点可知，方案一的MPX53D型号压力传感器具有良好的线性输出特性，能适用多种液体环境，结构简单，可靠性强，可操作性强且经济，能容易满足设计要求，方案二的BP300T压力传感器虽然也能满足一些性能指标，但测量量程较小，主要是测量气压信号，是属于专用的一款传感器，其应用范围相对局限，其稳定性也相对较差，故选择方案一较为合理。第三章 液位信号的放大电路模块设计3.1 放大电路简介 放大即为增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称为放大器。它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等。为了实现放大，必须给放大器提供能量。常用的能源是直流电源，但有的放大器也利用高频电源作为泵浦源。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代使用最广的是以晶体管（双极型晶体管或场效应晶体管）放大电路为基础的集成放大器。大功率放大以及高频、微波的低噪声放大，常用分立晶体管放大器。高频和微波的大功率放大主要靠特殊类型的真空管，如功率三极管或四极管、磁控管、速调管、行波管以及正交场放大管等。放大电路的前置部分或集成电路元件变质引起高频振荡产生咝咝声，检查各部分元件，若元件无损坏，再在磁头信号线与地间并接一个1000PF0047雾的电容，咝咝声若不消失，则需要更换集成块。在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压，电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。3.2 放大电路的主要特性指标放大电路的性能指标是衡量它的品质优劣的标准，并决定其适用范围。这里主要讨论放大电路的输入电阻、输出电阻、增益、频率响应和非线性失真等几项主要性能指标。（1）输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配； （2）一定的放大倍数和稳定的增益：放大倍数是描述一个放大电路放大能力的指标，其中电压放大倍数定义为输出电压与输入电压的变化量之比。当输入一个正弦测试电压是，也可用输出电压与输入电压的正弦向量之比来表示，即A=U出U入于此类似，电流放大倍数定义为输出与输入电流的变化量之比，同样也可用二者的正弦向量之比来表示，即A=I出I入需注意以上两个表达式只有在输出电压和输出电流基本上也是正弦波，即输出信号没有明显失真的情况下才有意义。（3）低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移如前所述的放大电路模型是极为简单的模型，实际的放大电路中总是存在一些电抗性元件，如电容、电感、电子器件的极间电容以及接线电容与接线电感等。因此，放大电路的输出和输入之间的关系必然和信号频率有关。放大电路的频率响应所指的是，在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。若考虑电抗性元件的作用和信号角频率变量，则放大电路的电压增益可表达为 由于通常有fL next_state=st1;ale=0;start=0;ennext_state=st2;ale=1;start=0;ennext_state=st3;ale=0;start=1;en ale=0;start=0;en=0; if eoc=1 then next_state=st3; -检测EOC的下降沿 else next_stateale=0;start=0;en=0; if eoc=0 then next_state=st4; -检测EOC的上升沿else next_statenext_state=st6;ale=0;start=0;ennext_state=st0;ale=0;start=0;en=1;regl next_state=st0;ale=0;start=0;en=0; end case;end process;转化时序代码段为：clock:process(clk) -对系统时钟进行分频，得到ADC0809转换工作时钟beginif clkevent and clk=1 then qq=qq+ -在clk1的上升沿，转换至下一状态if QQ=01111111 THEN clk1=1; current_state =next_state; els if qq=01111111 then clk1=0; end if; end if;end process;q=regl; abc_out=abc_in; end behav; 4.4 AD0809控制程序调试4.4.1 FPGA开发板现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammable Gate Array）是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件。FPGA既具有门阵列器件的高集成度和通用性，又有可编程逻辑器件用户可编程的灵活性。 FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的IO单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和IO资源。一片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。FPGA开发板结构图如图4-5所示：FPGA的结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和IO单元都可以由用户编程，可以实现任何逻辑功能，满足各种设计需求。其速度快，功耗低，通用性强，特别适用于复杂系统的设计。使用FPGA还可以实现动态配置、在线系统重构（可以在系统运行的不同时刻，按需要改变电路的功能，使系统具备多种空间相关或时间相关的任务）及硬件软化、软件硬化等功能。4.4.2 调试程序 建立工程主要步骤如下：1）制定工程名称单击“file”菜单下的“New Project Wizard”命令。弹出如图 4-6所示的对话框，在此对话框中自顶向下分别输入新工程的文件夹名、工程名和顶层实体的名字，工程名要和顶层实体名相同。本设计中建立的工程名称为“and_1”2）选择需要加入的文件和库单击图4-6中的“Next”按钮，此时，如果文件夹不存在的话，系统会提示用户是否创建该文件夹，选择“yes”按钮后会自动创建。接下来弹出图4-7所示的对话框。如果此设计中包括其他设计文件，可以再“file name”的下拉菜单中选择文件，或者单击“Add All”按钮加入在该目录下的所有文件，如果需要用户自定义的库，单击“User Libraries”按钮进行选择，本例中没有需要添加的文件和库，直接单击“Next”按钮即可。 3）选择目标器件在弹出的对话框中选择目标器件，如图4-8所示。在“Target debice”选项下选择“Auto device selected by the Fitter”选项，系统会自动给所设计的文件分配一个器件；如果选择“Specific device selected in Available device list”选项，用户需要指定目标器件。在右侧的“Filtera”选项下，选择器件的封装类型（Package）、引脚数量（pin count）和速度等级（Speed grade）以便快速查找用户需要指定的器件。 5）结束设置单击图4-8中的“Next”按钮后进入最后确认的对话框，从图中可以看到建立的工程名称，选择的器件和选择的第三方工具等信息，如果无误的话，单击“Finish”按钮，出现如图4-9的窗口，在资源管理窗口中可以看到新建的名称“and_1”工程。 建立文本文件并进行编译：在图4-4中，单击“File”菜单下的“New”命令，弹出新建对话框，如图4-10所示。在“Eevice Design Files”页面中共有6种编辑方式，分别对应着不同的编辑器。双击“VHDL File”选项后建立文本成功，如图4-11所示。 以A/D控制程序的模块为例，将程序添加到编辑器中，如图4-12所示。然后单击编辑按钮 进行编译。编译成功后将出现如图4-13所示窗口。 第五章:全文总结与展望在本设计中介绍了FPGA的液位检测信号采集的前端设计，前端设计包括传感器模块、放大电路模块、AD转换模块的设计，其硬软件组成如下：硬件组成及其环境：首先具备测量所需的液体,测量液位的传感器,组成跟随器、放大电路所需的元器件, AD转换器,搭建上述器件的电路板以及连接的导线,外部电源等等；软件组成主要是AD转换器的程序控制。前端设计的主线是信号的获得、放大及转换，由于传感器的信号较小，需要适当放大，考虑到设计的经济性及环境要求，传感器的设计尤为重要，本设计采用的Motorola公司生产的MPX53D型号压力传感器就较为合适。放大电路有两个方案可供选择，相对其优缺点，方案二较为合理，AD转换器可供选择的型号也较多，ADC0816/0808/0809型都是8位MOS型AD转换器，工作原理都大体相同，为了使设计简单化，接线清晰明了，本设计采用ADC0809。本设计通过对前端设计的各模块方案的论证，并选择了合适可行的方案，能很好的实现了液位检测信号的采集，且设计成本较少，简单易行。满足了液位检测系统的主要特性：1. 本系统具有多功能具有多选择性（液位、流速等；输入电压范围）2. 采用先进的CPLD/FPGA技术，提高了设计速度，缩短了设计周期，更为明显的是了设计的灵活性增强，提高了工作效率。3. 采用数字化、集成