基于FPGA的液位检测系统的前端设计

1、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

2、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

3、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，随电子技术计算机技术的发展，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

4、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。  图1- 1 液位检测功能结构图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

5、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。  图1- 2 前端设计模块图                                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 +1

6、25，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。  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

7、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

8、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

9、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。（

10、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

11、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 << fH的关系，故有BW  fH。有些放大电路的频率响应，中频区平坦部分一直延伸到直流，如图3-4所示。可以认为它是图3-3的一种特殊情况，即下限频率为零。这种放大电路称为直流（直接耦合）放大电路。现代模拟集成电路大多采用直接耦合进行放大。（4）线性好、精度高信号

12、的另一种失真是由放大器件的非线性特性所引起的。放大器件包括分立器件（如半导体三极管等）和集成电路器件（如集成运算放大器等）。对于分立器件放大电路来说，电子电路设计工作者应设法使它工作在线性放大区。当要求信号的幅值较大，如多级放大电路的末级，特别是功率放大电路，非线性失真难以避免。对于集成运算放大器，通常是由正、负双电源供电，当输出信号的幅值接近双电源值时，其输出将产生非线性失真，称为饱和失真。有关上述非线性失真的细节。向放大电路输入标准的正弦波信号，可以测定输出信号的非线线失真，并用下面定义的非线性失真的系数来衡量。放大电路除上述几种主要性能指标外，针对不同用途的电路，还常会提出一些其指标，诸

13、如最大输出功率、效率、信号噪声比、抗干扰能力等等，甚至在某些特殊使用场合还会提出体积、重量、工作温度、环境温度等要求。其中有些在通常条件下很容易达到的技术指标，但在特殊条件下往往就变得很难达到，如强背景噪声、高温等恶劣环境下运行，即属这种情况。要想全面达到应用中所要求的性能指标，除合理设计电路外，还要靠选择高质量的元器件及高水平的制造工艺来保证。3.3放大电路模块设计方案一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，用三极管实现放大，选择共射电路就能实现电压和电流的放大，且输入电阻和输出电阻比较适中，如何测量输入输出电阻成为放大电路的关键。要测一个放大电路的输入电阻，本来

14、只要测出输入电压Ui和输入电流Ii，那么输入电阻Ri=Ui/Ii。 但是我们实验室里没有测量微小交流电流的交流微安表，只有测量微小电压的交流毫伏表，为了将这个电流量转换成电压，于是在输入电路中串联了一个电阻R，这个R的大小应当和输入电阻的大小相当。这样，输入电流Ii=(Us-Ui)/R,在这里，Us是信号源输出电压，Ui是放大电路输入端得到的电压，只要测出这两个电压，就可求出输入电阻了。 其具体步骤如下：第一步，不串电阻，在放大电路输入端接入信号源电压U1，在放大电路输出端接示波器观察输出电压Uo；第二步，在输入电路中串入适当已知阻值的电阻R，这时在示波器上看到的波形将明显变小，调整（增大）信

15、号源输出，使示波器上的输出波形达到原来的Uo大小，（这时输入端的电压还是U1），再测量这时的信号源输出电压U2,(由于信号源内阻很小，不会产生感应电压)，U2与U1的差就是R上的压降。输入电流Ii=(U2-U1)/R,电路的输入电阻Ri=U1/Ii=U1*R/(U2-U1) 。此放大电路的设计方案图如图3-5所示：   具体运用于信号放大时，使用单管共射就能实现电压或电流信号的放大，整个设计的工作原理图见附录3。    放大电路工作原理计算论证：    由于传感器的信号不稳定，容易失真，因此放大电路前端采用射极跟随器，同样用三极管来实

16、现，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。 在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。 电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在HI-FI电路

17、中，关于负反馈的争议已经很久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作的。但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入信号叠加。造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。但是，由于放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。共集电路时输入高阻抗，输出低阻抗，这就使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。其电路原理图3-7设计如下：  射极跟随加单管共射电路能实现传感器的放大功能，该电路设计简单、明了

18、、经济，但由于Ube=0.6-0.8V才能实现正向偏置，集电极反偏，因此要求外界的供电电压有一定的要求，对传感器的选择对其电压相对局限，此外，还需要与电路匹配的电容。3.4 放大电路模块设计方案二    如果传感器是对采集的信号进行比较的双输出，则直接选用集成放大器进行放大，把双输入转化为单输出，同样应注意到电压信号的跟随问题。其设计电路图3-8如下：  在差分比例运算电路中， R1、R2、 R3和R4电阻必需采用高密度电阻，并要精确匹配，否则将产生较大误差，而且降低电路的共模抑制比。综上可知，两方案都能实现信号简单放大，两方案的性价比也不多，根据设计要

19、求，传感器采集的信号较小，而且考虑到信号的稳定性问题，方案二对电阻要求不高，只要能满足电路匹配的电阻就可以实现，也不需要电容，故选择方案二作为设计方案。       IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN

20、0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表2所示。表2 通道选择表数字量输出及控制线：11条 地址输入和控制线：4条START： AD转换启动信号，输入，高电平有效。ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。（以上两种信号用于启动A/D转换）。EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转

21、换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KH。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。D7-D0：8位数字量输出引脚。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。4.2 ADC0809硬件及外围确定了传感器模块方案和放大电路模块方案后，把各个模块的硬件按照原理图连接起来，其中A/D0809与FP

22、GA的硬件连接原理图如图4-3所示，其中通道IN0 IN7通过A，B和C为地址输入线来选择。  具体传送时，首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。进行A/D转换时，采用查询EOC的标志信号来检测A/D转换是否完毕，若完毕则把数据通过P0端口读入，经过数据处

23、理之后在数码管上显示。 进行A/D转换之前，要启动转换的方法，ABC000选择第一通道，ST0，ST1，ST0产生启动转换的正脉冲信号。主控程序代码段为：com:process(current_state,eoc)               -规定各种状态的转换方式begin     case current_state is     when st0=>next_st

24、ate<=st1;ale<='0'start<='0'en<='0'     when st1=>next_state<=st2;ale<='1'start<='0'en<='0'     when st2=>next_state<=st3;ale<='0'start<='1'en<='0'

25、     when st3=> ale<='0'start<='0'en<='0'           if eoc='1' then next_state<=st3;     -检测EOC的下降沿           els

26、e next_state<=st4;           end if;         when st4=>ale<='0'start<='0'en<='0'           if eoc='0' then next_state&

27、lt;=st4;       -检测EOC的上升沿else next_state<=st5;end if;     when st5=>next_state<=st6;ale<='0'start<='0'en<='1'     when st6=>next_state<=st0;ale<='0'start<='0'en

28、<='1'regl<=d;     when others=> next_state<=st0;ale<='0'start<='0'en<='0'     end case;end process;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

29、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 li

30、st”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