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1.1液位檢測的意義

液位檢測廣泛用于各種行業(yè)領(lǐng)域，它幾乎遍及生產(chǎn)與生活的各個領(lǐng)域,尤其工業(yè)生產(chǎn)過程如石油、化工、醫(yī)藥和食品等行業(yè)領(lǐng)域中,液體的測量不但要求精度高,還需很好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的特殊環(huán)境,具有在惡劣環(huán)境下持續(xù)傳感的能力,由于液體性質(zhì)物理環(huán)境的復(fù)雜性，給準(zhǔn)確檢測液位變化帶來的很大的困難。故對液位測量提出了精確、實(shí)時、在線的要求。隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)的迅速發(fā)展,液位自動檢測領(lǐng)域出現(xiàn)了種類多樣的測量手段，對其經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性提出了很高的要求。

1.2液位檢測的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

由于液位檢測應(yīng)用領(lǐng)域的不同，性能指標(biāo)和技術(shù)要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發(fā)展趨勢，隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液位檢測的自動控制成為其今后的發(fā)展趨勢，控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時修運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時性、安全性。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價(jià)格的下降，液位檢測的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

1.3液位檢測系統(tǒng)的任務(wù)和所要達(dá)到的目標(biāo)

該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主要分為五個方面：一、使用壓力傳感器去采集與壓力相對應(yīng)的電壓值；二、由于本系統(tǒng)使用的傳感器MPX53輸出電壓較?。ê练墸暂敵鲭妷罕仨毥?jīng)過放大電路放大再傳送至A/D轉(zhuǎn)換器；三、從A/D轉(zhuǎn)換器出來后的信號變成了相應(yīng)的數(shù)字信號，再將其傳送給FPGA芯片；四、對FPGA用VHDL進(jìn)行編程，建立若干邏輯模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理與控制（包括MAX197控制模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊以及LCD驅(qū)動模塊）；最后，把信號傳送給LCD進(jìn)行顯示。液位檢測功能圖如圖1-1所示。

圖1-1液位檢測功能結(jié)構(gòu)圖

我設(shè)計(jì)的部分是信號的采集即前端設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)模塊圖1-2所示：其中包括傳感器模塊、放大電路模塊、A\D轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)所要達(dá)到的目標(biāo)是硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化,系統(tǒng)精度較好，適用性強(qiáng)，具有良好的人機(jī)交互功能，有問題就能立即發(fā)現(xiàn)，通過實(shí)現(xiàn)水位的顯示以便自動調(diào)節(jié)控制液位。液位控制在設(shè)定值上正常運(yùn)行不需要人工干預(yù)，操作人員勞動強(qiáng)度小。

圖1-2前端設(shè)計(jì)模塊圖

第二章傳感器模塊的設(shè)計(jì)方案

2.1傳感器簡介

傳感器，指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類：

傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。

而本設(shè)計(jì)的測量對象是液體，所選擇的傳感器能夠準(zhǔn)確反映液位的變化，所選擇的傳感器應(yīng)該符合以上要求，我們知道壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡單介紹壓阻式力傳感器原理:

電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

選擇了合適的傳感器，為了節(jié)約成本，同時保證傳感器的測量精度及穩(wěn)定度達(dá)到技術(shù)指定要求，需要對原始芯片進(jìn)行合理的封裝，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器內(nèi)部無可動部件，保證傳感器抗沖擊、抗震動，從而保護(hù)了內(nèi)部芯片，對于MPX53D型號壓力傳感器芯片，對其進(jìn)行封裝應(yīng)注意的問題是測量軟管的選擇，應(yīng)根據(jù)芯片的端口選擇合適的軟管，封裝時應(yīng)保證其密封度。

2.2前端設(shè)計(jì)的傳感器模塊的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上傳感器的選擇原則，考慮到測量范圍、量程、重復(fù)性、可靠性等因數(shù)，而本實(shí)驗(yàn)環(huán)境是量程較小的液體，有兩種方案可供選擇參考：一種方案是選用Motorola公司生產(chǎn)的MPX53D型號壓力傳感器作為前端采集器件，通過液位的高低不同所產(chǎn)生的壓力值的不同，把采集到的電壓值經(jīng)過放大電路的放大以后，再傳送到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入通道。另一種方案是APM公司生產(chǎn)的BP300T,BP300T壓力傳感器是專為電子醫(yī)療器械（電子電子血壓計(jì)）開發(fā)的一款氣體壓力傳感器，標(biāo)稱壓力為5.8PSI(300mmHg)，采用標(biāo)準(zhǔn)的小型DIP-6塑膠封裝，完全代替NAISADP4系列、HoneywellHPX系列壓力傳感器。

2.2.1方案一：MPX53D型號壓力傳感器是一個50kPa的非補(bǔ)償性硅壓力傳感器，封裝簡單,允許用戶自行設(shè)計(jì)和增加外部溫度補(bǔ)償和通信功能。除了接受水壓的一面（P1），另一面為真空的（P2），正常工作下P1>P2，兩面所承受的最大壓差為200ka，表1顯示了MPX53D的基本特性。傳感器提供了非常精確的電壓輸出—與壓力成正比，傳感器的輸出方程為：

Vout=Voff+(△V/△P)×P

其中Voff為偏移電壓典型值約為20mV，△V/△P為靈敏度典型值為1.2mv/kPa，P為檢測對象的壓力。

圖2-1顯示了其在不同溫度下的典型的輸出特性。儲藏溫度與工作溫度均在-40℃—+125℃，MPX53D是半導(dǎo)體的壓阻式壓力傳感器，能夠使電信號成比例輸出，衡量該傳感器的應(yīng)變性能要依賴溫度的變化，溫度變化的范圍需要溫度補(bǔ)償裝置。

圖2-2顯示了其實(shí)際與理論線性度，線性表示理想傳感器的輸出特性，由于種種原因?qū)嶋H的傳感器總是非線性的，只能用線性度來表示其輸出特性，有兩種非線性的計(jì)算方法：終點(diǎn)直線擬合和最小二乘法擬合，摩托羅拉指定的壓力傳感器非線性的依據(jù)是終點(diǎn)直線法測的終端壓力。

2.2.2方案二：BP300T壓力傳感器是專為電子醫(yī)療器械（電子電子血壓計(jì)）開發(fā)的一款氣體壓力傳感器，其外部結(jié)構(gòu)圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖分別如圖2-3、2-4所示：

它具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性好、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有低廉的價(jià)格，替換性好等特點(diǎn)，其工作壓力為300mmHg，能測量量程較小的氣壓或液體信號，其應(yīng)用范圍相對局限，是屬于專用的一款傳感器，主要適用于腕式\臂式電子血壓計(jì)、醫(yī)療按摩器等需要控制氣體壓力的設(shè)備和器械中。該傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)是整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、精度、過載倍數(shù)和可靠性高，動作誤差和溫度系數(shù)小，成本較低，在各種實(shí)驗(yàn)室及醫(yī)療中能廣泛應(yīng)用，但封裝要求較高，容易出現(xiàn)封裝問題而影響測量精度。

對比以上兩種方案的性能特點(diǎn)可知，方案一的MPX53D型號壓力傳感器具有良好的線性輸出特性，能適用多種液體環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，可操作性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)，能容易滿足設(shè)計(jì)要求，方案二的BP300T壓力傳感器雖然也能滿足一些性能指標(biāo)，但測量量程較小，主要是測量氣壓信號，是屬于專用的一款傳感器，其應(yīng)用范圍相對局限，其穩(wěn)定性也相對較差，故選擇方案一較為合理。

第三章液位信號的放大電路模塊設(shè)計(jì)

3.1放大電路簡介

放大即為增加電信號幅度或功率的電子電路。應(yīng)用放大電路實(shí)現(xiàn)放大的裝置稱為放大器。它的核心是電子有源器件，如電子管、晶體管等。為了實(shí)現(xiàn)放大，必須給放大器提供能量。常用的能源是直流電源，但有的放大器也利用高頻電源作為泵浦源。放大作用的實(shí)質(zhì)是把電源的能量轉(zhuǎn)移給輸出信號。輸入信號的作用是控制這種轉(zhuǎn)移，使放大器輸出信號的變化重復(fù)或反映輸入信號的變化。

現(xiàn)代使用最廣的是以晶體管（雙極型晶體管或場效應(yīng)晶體管）放大電路為基礎(chǔ)的集成放大器。大功率放大以及高頻、微波的低噪聲放大，常用分立晶體管放大器。高頻和微波的大功率放大主要靠特殊類型的真空管，如功率三極管或四極管、磁控管、速調(diào)管、行波管以及正交場放大管等。

放大電路的前置部分或集成電路元件變質(zhì)引起高頻振蕩產(chǎn)生"咝咝"聲，檢查各部分元件，若元件無損壞，再在磁頭信號線與地間并接一個1000PF～0．047霧的電容，"咝咝"聲若不消失，則需要更換集成塊。在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓，電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大電路，亦稱儀用放大電路。

3.2放大電路的主要特性指標(biāo)

放大電路的性能指標(biāo)是衡量它的品質(zhì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，并決定其適用范圍。這里主要討論放大電路的輸入電阻、輸出電阻、增益、頻率響應(yīng)和非線性失真等幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)。

（1）輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配；

（2）一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益：

放大倍數(shù)是描述一個放大電路放大能力的指標(biāo)，其中電壓放大倍數(shù)定義為輸出電壓與輸入電壓的變化量之比。當(dāng)輸入一個正弦測試電壓是，也可用輸出電壓與輸入電壓的正弦向量之比來表示，即

A=U出\U入

于此類似，電流放大倍數(shù)定義為輸出與輸入電流的變化量之比，同樣也可用二者的正弦向量之比來表示，即

A=I出\I入

需注意以上兩個表達(dá)式只有在輸出電壓和輸出電流基本上也是正弦波，即輸出信號沒有明顯失真的情況下才有意義。

（3）低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移

如前所述的放大電路模型是極為簡單的模型，實(shí)際的放大電路中總是存在一些電抗性元件，如電容、電感、電子器件的極間電容以及接線電容與接線電感等。因此，放大電路的輸出和輸入之間的關(guān)系必然和信號頻率有關(guān)。放大電路的頻率響應(yīng)所指的是，在輸入正弦信號情況下，輸出隨頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。若考慮電抗性元件的作用和信號角頻率變量，則放大電路的電壓增益可表達(dá)為

由于通常有fL<<fH的關(guān)系，故有BWfH。有些放大電路的頻率響應(yīng)，中頻區(qū)平坦部分一直延伸到直流，如圖3-4所示?？梢哉J(rèn)為它是圖3-3的一種特殊情況，即下限頻率為零。這種放大電路稱為直流（直接耦合）放大電路?，F(xiàn)代模擬集成電路大多采用直接耦合進(jìn)行放大。

（4）線性好、精度高

信號的另一種失真是由放大器件的非線性特性所引起的。放大器件包括分立器件（如半導(dǎo)體三極管等）和集成電路器件（如集成運(yùn)算放大器等）。對于分立器件放大電路來說，電子電路設(shè)計(jì)工作者應(yīng)設(shè)法使它工作在線性放大區(qū)。當(dāng)要求信號的幅值較大，如多級放大電路的末級，特別是功率放大電路，非線性失真難以避免。對于集成運(yùn)算放大器，通常是由正、負(fù)雙電源供電，當(dāng)輸出信號的幅值接近雙電源值時，其輸出將產(chǎn)生非線性失真，稱為飽和失真。有關(guān)上述非線性失真的細(xì)節(jié)。向放大電路輸入標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號，可以測定輸出信號的非線線失真，并用下面定義的非線性失真的系數(shù)來衡量。

放大電路除上述幾種主要性能指標(biāo)外，針對不同用途的電路，還常會提出一些其指標(biāo)，諸如最大輸出功率、效率、信號噪聲比、抗干擾能力等等，甚至在某些特殊使用場合還會提出體積、重量、工作溫度、環(huán)境溫度等要求。其中有些在通常條件下很容易達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，但在特殊條件下往往就變得很難達(dá)到，如強(qiáng)背景噪聲、高溫等惡劣環(huán)境下運(yùn)行，即屬這種情況。要想全面達(dá)到應(yīng)用中所要求的性能指標(biāo)，除合理設(shè)計(jì)電路外，還要靠選擇高質(zhì)量的元器件及高水平的制造工藝來保證。

3.3放大電路模塊設(shè)計(jì)方案一

由于傳感器的信號較小，需要適當(dāng)放大，考慮到設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境要求，用三極管實(shí)現(xiàn)放大，選擇共射電路就能實(shí)現(xiàn)電壓和電流的放大，且輸入電阻和輸出電阻比較適中，如何測量輸入輸出電阻成為放大電路的關(guān)鍵。

要測一個放大電路的輸入電阻，本來只要測出輸入電壓Ui和輸入電流Ii，那么輸入電阻Ri=Ui/Ii。但是我們實(shí)驗(yàn)室里沒有測量微小交流電流的《交流微安表》，只有測量微小電壓的交流毫伏表，為了將這個電流量轉(zhuǎn)換成電壓，于是在輸入電路中串聯(lián)了一個電阻R，這個R的大小應(yīng)當(dāng)和輸入電阻的大小相當(dāng)。這樣，輸入電流Ii=(Us-Ui)/R,在這里，Us是信號源輸出電壓，Ui是放大電路輸入端得到的電壓，只要測出這兩個電壓，就可求出輸入電阻了。

其具體步驟如下：第一步，不串電阻，在放大電路輸入端接入信號源電壓U1，在放大電路輸出端接示波器觀察輸出電壓Uo；第二步，在輸入電路中串入適當(dāng)已知阻值的電阻R，這時在示波器上看到的波形將明顯變小，調(diào)整（增大）信號源輸出，使示波器上的輸出波形達(dá)到原來的Uo大小，（這時輸入端的電壓還是U1），再測量這時的信號源輸出電壓U2,(由于信號源內(nèi)阻很小，不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓)，U2與U1的差就是R上的壓降。輸入電流Ii=(U2-U1)/R,電路的輸入電阻Ri=U1/Ii=U1*R/(U2-U1)。

此放大電路的設(shè)計(jì)方案圖如圖3-5所示：

3.3.1方案一的原理論證

此設(shè)計(jì)適合于傳感器的單端輸出，由三極管的特性可知，要使NPN處于放大狀態(tài)，則射極正偏，集電結(jié)反偏，三極管的簡單工作電路如圖3-6所示：

具體運(yùn)用于信號放大時，使用單管共射就能實(shí)現(xiàn)電壓或電流信號的放大，整個設(shè)計(jì)的工作原理圖見附錄3。

放大電路工作原理計(jì)算論證：

由于傳感器的信號不穩(wěn)定，容易失真，因此放大電路前端采用射極跟隨器，同樣用三極管來實(shí)現(xiàn)，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。

在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因?yàn)?，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。應(yīng)用電壓跟隨器的另外一個好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。

電壓跟隨器的另外一個作用就是隔離，在HI-FI電路中，關(guān)于負(fù)反饋的爭議已經(jīng)很久了，其實(shí)，如果真的沒有負(fù)反饋的作用，相信絕大多數(shù)的放大電路是不能很好的工作的。但是由于引入了大環(huán)路負(fù)反饋電路，揚(yáng)聲器的反電動勢就會通過反饋電路，與輸入信號疊加。造成音質(zhì)模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末級采用了無大環(huán)路負(fù)反饋的電路，試圖通過斷開負(fù)反饋回路來消除大環(huán)路負(fù)反饋的帶來的弊端。但是，由于放大器的末級的工作電流變化很大，其失真度很難保證。共集電路時輸入高阻抗，輸出低阻抗，這就使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級的放大電路更好的工作。其電路原理圖3-7設(shè)計(jì)如下：

射極跟隨加單管共射電路能實(shí)現(xiàn)傳感器的放大功能，該電路設(shè)計(jì)簡單、明了、經(jīng)濟(jì)，但由于Ube=0.6-0.8V才能實(shí)現(xiàn)正向偏置，集電極反偏，因此要求外界的供電電壓有一定的要求，對傳感器的選擇對其電壓相對局限，此外，還需要與電路匹配的電容。

3.4放大電路模塊設(shè)計(jì)方案二

如果傳感器是對采集的信號進(jìn)行比較的雙輸出，則直接選用集成放大器進(jìn)行放大，把雙輸入轉(zhuǎn)化為單輸出，同樣應(yīng)注意到電壓信號的跟隨問題。其設(shè)計(jì)電路圖3-8如下：

在差分比例運(yùn)算電路中，R1、R2、R3和R4電阻必需采用高密度電阻，并要精確匹配，否則將產(chǎn)生較大誤差，而且降低電路的共模抑制比。

綜上可知，兩方案都能實(shí)現(xiàn)信號簡單放大，兩方案的性價(jià)比也不多，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳感器采集的信號較小，而且考慮到信號的穩(wěn)定性問題，方案二對電阻要求不高，只要能滿足電路匹配的電阻就可以實(shí)現(xiàn)，也不需要電容，故選擇方案二作為設(shè)計(jì)方案。

第四章:A/D轉(zhuǎn)換器模塊的設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換器用以實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，常用的A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式和雙積分式，其中ADC0808/0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

4.1ADC0809介紹

4.1.1ADC0809主要特性

主要特性如下：

1）8路8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。

2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。

3）轉(zhuǎn)換時間為100μs

4）單個＋5V電源供電

5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。

6）工作溫度范圍為-40～＋85攝氏度

7）低功耗，約15mW。

ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4-1所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近。

4.1.2ADC0809外部特性（引腳功能）

ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖4-2所示。下面說明各引腳功能。

IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。

2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路

ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。

ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表2所示。

表2通道選擇表

數(shù)字量輸出及控制線：11條

地址輸入和控制線：4條

START：A／D轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。

ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。

（以上兩種信號用于啟動A/D轉(zhuǎn)換）。

EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。

OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。

CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KH。

Vcc：電源，單一＋5V。

GND：地。

D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。

REF（+）：參考電壓正端。

REF（-）：參考電壓負(fù)端。

4.2ADC0809硬件及外圍

確定了傳感器模塊方案和放大電路模塊方案后，把各個模塊的硬件按照原理圖連接起來，其中A/D0809與FPGA的硬件連接原理圖如圖4-3所示，其中通道IN0IN7通過A，B和C為地址輸入線來選擇。

具體傳送時，首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動A／D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A／D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，采用查詢EOC的標(biāo)志信號來檢測A/D轉(zhuǎn)換是否完畢，若完畢則把數(shù)據(jù)通過P0端口讀入，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后在數(shù)碼管上顯示。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，要啟動轉(zhuǎn)換的方法，ABC＝000選擇第一通道，ST＝0，ST＝1，ST＝0產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)換的正脈沖信號。

4.3ADC0809控制的VHDL程序設(shè)計(jì)

4.3.1VHDL語言概述

VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體，可以是一個元件、一個電路模塊或一個系統(tǒng)，分成外部和內(nèi)部，即設(shè)計(jì)實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計(jì)就直接調(diào)用這個實(shí)體。VHDL具有較強(qiáng)的行為描述能力，決定了它成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語言，此外，它既是一種硬件電路描述和設(shè)計(jì)語言也是一種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)表格式，還是一種仿真語言。

4.3.2ADC0809的轉(zhuǎn)換程序流程

首先數(shù)據(jù)傳送時信號單極性，電壓范圍是0－5V，若信號太小，必須進(jìn)行放大，輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給FPGA芯片進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。A/D轉(zhuǎn)換器的主要程序是主控程序和時序程序，時序程序?yàn)橹骺爻绦蛱峁r鐘信號，主控程序控制程序的進(jìn)程。工作時序圖見附錄2，其具體工作流程如下：

（1）ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與FPGA芯片直接相連。

（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。

（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。

（4）在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。

（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。

（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給FPGA芯片了。

轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖4-4所示：

主控程序代碼段為：

com:process(current_state,eoc)--規(guī)定各種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換方式

begin

casecurrent_stateis

whenst0=>next_state<=st1;ale<=''''0'''';start<=''''0'''';en<=''''0'''';

whenst1=>next_state<=st2;ale<=''''1'''';start<=''''0'''';en<=''''0'''';

whenst2=>next_state<=st3;ale<=''''0'''';start<=''''1'''';en<=''''0'''';

whenst3=>ale<=''''0'''';start<=''''0'''';en<=''''0'''';

ifeoc=''''1''''thennext_state<=st3;--檢測EOC的下降沿

elsenext_state<=st4;

endif;

whenst4=>ale<=''''0'''';start<=''''0'''';en<=''''0'''';

ifeoc=''''0''''thennext_state<=st4;--檢測EOC的上升沿

elsenext_state<=st5;

endif;

whenst5=>next_state<=st6;ale<=''''0'''';start<=''''0'''';en<=''''1'''';

whenst6=>next_state<=st0;ale<=''''0'''';start<=''''0'''';en<=''''1'''';regl<=d;

whenothers=>next_state<=st0;ale<=''''0'''';start<=''''0'''';en<=''''0'''';

endcase;

endprocess;

轉(zhuǎn)化時序代碼段為：

clock:process(clk)--對系統(tǒng)時鐘進(jìn)行分頻，得到ADC0809轉(zhuǎn)換工作時鐘

begin

ifclk''''eventandclk=''''1''''thenqq<=qq+--在clk1的上升沿，轉(zhuǎn)換至下一狀態(tài)

ifQQ="01111111"THENclk1<=''''1'''';current_state<=next_state;

elsifqq<="01111111"thenclk1<=''''0'''';

endif;

endif;

endprocess;

q<=regl;abc_out<=abc_in;

endbehav;

4.4AD0809控制程序調(diào)試

4.4.1FPGA開發(fā)板

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（FieldProgrammableGateArray）是美國Xilinx公司于1984年首先開發(fā)的一種通用型用戶可編程器件。FPGA既具有門陣列器件的高集成度和通用性，又有可編程邏輯器件用戶可編程的靈活性。

FPGA由可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的I／O單元陣列構(gòu)成，一個FPGA包含豐富的邏輯門、寄存器和I／O資源。一片F(xiàn)PGA芯片就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百片甚至更多個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。FPGA開發(fā)板結(jié)構(gòu)圖如圖4-5所示：

FPGA的結(jié)構(gòu)靈活，其邏輯單元、可編程內(nèi)部連線和I／O單元都可以由用戶編程，可以實(shí)現(xiàn)任何邏輯功能，滿足各種設(shè)計(jì)需求。其速度快，功耗低，通用性強(qiáng)，特別適用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使用FPGA還可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)配置、在線系統(tǒng)重構(gòu)（可以在系統(tǒng)運(yùn)行的不同時刻，按需要改變電路的功能，使系統(tǒng)具備多種空間相關(guān)或時間相關(guān)的任務(wù)）及硬件軟化、軟件硬化等功能。

4.4.2調(diào)試程序

建立工程主要步驟如下：

1）制定工程名稱

單擊“file”菜單下的“NewProjectWizard…”命令。彈出如圖4-6所示的對話框，在此對話框中自頂向下分別輸入新工程的文件夾名、工程名和頂層實(shí)體的名字，工程名要和頂層實(shí)體名相同。本設(shè)計(jì)中建立的工程名稱為“and_1”

2）選擇需要加入的文件和庫

單擊圖4-6中的“Next”按鈕，此時，如果文件夾不存在的話，系統(tǒng)會提示用戶是否創(chuàng)建該文件夾，選擇“yes”按鈕后會自動創(chuàng)建。接下來彈出圖4-7所示的對話框。如果此設(shè)計(jì)中包括其他設(shè)計(jì)文件，可以再“filename”的下拉菜單中選擇文件，或者單擊“AddAll”按鈕加入在該目錄下的所有文件，如果需要用戶自定義的庫，單擊“UserLibraries…”按鈕進(jìn)行選擇，本例中沒有需要添加的文件和庫，直接單擊“Next”按鈕即可。

3）選擇目標(biāo)器件

在彈出的對話框中選擇目標(biāo)器件，如圖4-8所示。在“Targetdebice”選項(xiàng)下選擇“AutodeviceselectedbytheFitter”選項(xiàng)，系統(tǒng)會自動給所設(shè)計(jì)的文件分配一個器件；如果選擇“Specificdeviceselectedin‘Availabledevice’list”選項(xiàng)，用戶需要指定目標(biāo)器件。在右側(cè)的“Filtera”選項(xiàng)下，選擇器件的封裝類型（Package）、引腳數(shù)量（pincount）和速度等級（Speedgrade）以便快速查找用戶需要指定的器件。

5）結(jié)束設(shè)置

單擊圖4-8中的“Next”按鈕后進(jìn)入最后確認(rèn)的對話框，從圖中可以看到建立的工程名稱，選擇的器件和選擇的第三方工具等信息，如果無誤的話，單擊“Finish”按鈕，出現(xiàn)如圖4-9的窗口，在資源管理窗口中可以看到新建的名稱“and_1”工程。

建立文本文件并進(jìn)行編譯：

在圖4-4中，單擊“File”菜單下的“New”命令，彈出新建對話框，如圖4-10所示。在“EeviceDesignFiles”頁面中共有6種編輯方式，分別對應(yīng)著不同的編輯器。雙擊“VHDLFile”選項(xiàng)后建立文本成功，如圖4-11所示。

以A/D控制程序的模塊為例，將程序添加到編輯器中，如圖4-12所示。然后單擊編輯按鈕進(jìn)行編譯。編譯成功后將出現(xiàn)如圖4-13所示窗口。

第五章:全文總結(jié)與展望

在本設(shè)計(jì)中介紹了FPGA的液位檢測信號采集的前端設(shè)計(jì)，前端設(shè)計(jì)包括傳感器模塊、放大電路模塊、A\D轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)，其硬軟件組成如下：

硬件組成及其環(huán)境：首先具備測量所需的液體,測量液位的傳感器,組成跟隨器、放大電路所需的元器件,A\D轉(zhuǎn)換器,搭建上述器件的電路板以及連接的導(dǎo)線,外部電源等等；軟件組成主要是A\D轉(zhuǎn)換器的程序控制。

前端設(shè)計(jì)的主線是信號的獲得、放大及轉(zhuǎn)換，由于傳感器的信號較小，需要適當(dāng)放大，考慮到設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境要求，傳感器的設(shè)計(jì)尤為重要，本設(shè)計(jì)采用的Motorola公司生產(chǎn)的MPX53D型號壓力傳感器就較為合適。放大電路有兩個方案可供選擇，相對其優(yōu)缺點(diǎn)，方案二較為合理，A\D轉(zhuǎn)換器可供選擇的型號也較多，ADC0816/0808/0809型都是8位MOS型A\D轉(zhuǎn)換器，工作原理都大體相同，為了使設(shè)計(jì)簡單化，接線清晰明了，本設(shè)計(jì)采用ADC0809。

本設(shè)計(jì)通過對前端設(shè)計(jì)的各模塊方案的論證，并選擇了合適可行的方案，能很好的實(shí)現(xiàn)了液位檢測信號的采集，且設(shè)計(jì)成本較少，簡單易行。滿足了液位檢測系統(tǒng)的主要特性：

1.本系統(tǒng)具有多功能具有多選擇性（液位、流速等；輸入電壓范圍）

2.采用先進(jìn)的CPLD/FPGA技術(shù)，提高了設(shè)計(jì)速度，縮短了設(shè)計(jì)周期，更為明顯的是了設(shè)計(jì)的靈活性增強(qiáng)，提高了工作效率。

3.采用數(shù)字化、集成化和模塊化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性及可維護(hù)性。

液位檢測涉及工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域,根據(jù)工作環(huán)境的不同,所采用的檢測儀器也多種多樣.隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,液位檢測儀趨向于微型化、智能化和虛擬化。

摘要

本設(shè)計(jì)是關(guān)于一個基于FPGA的液位檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)合適的傳感器來對液位的信號進(jìn)行采集，然后在FPGA上對信號進(jìn)行處理，主要是對FPGA用VHDL進(jìn)行編程，建立若干邏輯模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，最后利用LED來對信號進(jìn)行輸出顯示。本文著重介紹了這個系統(tǒng)的液位檢測信號采集的前端設(shè)計(jì)，前端設(shè)計(jì)包括傳感器模塊、放大電路模塊以及A\D轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)，它是整個液位檢測設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，主要目的是數(shù)據(jù)的采集即如何獲得高質(zhì)量的液位信號，然后對其進(jìn)行加工處理傳送。本文介紹的前端設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡化,系統(tǒng)精度較好，適用性強(qiáng)，具有良好的人機(jī)交互功能。

關(guān)鍵詞：液位檢測，傳感器，F(xiàn)PGA,VHDL

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