【文章內(nèi)容簡介】 檢測出地溝油。因此，對地溝油的測定最終轉(zhuǎn)變?yōu)閷τ椭妮腿∷嚯妼?dǎo)率的測定。由于油脂的萃取水相電導(dǎo)率所引起的電信號十分微弱，所以本設(shè)計涉及到微弱信號的檢測問題。 相關(guān)檢測技術(shù)對微弱信號的檢測常采用相關(guān)檢測技術(shù)，相關(guān)檢測技術(shù)是應(yīng)用信號周期性和噪聲隨機性的特點，通過自相關(guān)或互相關(guān)運算，達到去除噪聲檢測出有用信號的一種技術(shù)。由于檢測過程中，信號和噪聲是相互獨立的過程，根據(jù)相關(guān)函數(shù)與自相關(guān)函數(shù)可知信號只與信號本身相關(guān)，而與噪聲不相關(guān)。隨機噪聲之間不相關(guān)。由相關(guān)資料 [17]得到：a．自相關(guān)檢測自相關(guān)函數(shù)： 其中 X(t)為隨機過程，E(X(t))為期望，????tXsEtsR*,?Y(t)為另一隨機過程。乘法器 ∫延時器（ ）?Xi(t)=Si(t)+Ni(t)Rxn( )?圖 自相關(guān)檢測原理框圖由圖 輸出：，根據(jù)互相關(guān)?? )()()(1lim2// ???? nnssnsiTiX RRdtxtR ?????????的性質(zhì)，由于信號 S（t）與噪聲信號 N（t）不相關(guān)，并且噪聲的平均值為零，得到 ， ，則 Rxx( )= ，隨 的增大，0)(sn0)(nsR?)(ns ?則對充分大的 ，可得 ，就得到了信號 S(t)的自相關(guān)函R?)(sxR?11數(shù) ，它包含了 S(t)所攜帶的某些信息。)(?sR互相關(guān)函數(shù)： 其中 X(t)為隨機過程，E(X(t))為期望，????tYsXEts*,?Y(t)為另一隨機過程。乘法器 積分器延時器X(t)Y(t)??tRxy圖 互相關(guān)檢測原理框圖圖 是實現(xiàn)互相關(guān)檢測的原理框圖。設(shè)輸入 x(t)為：。其中 為待測信號， 為信號 中混入的噪聲， 為已????tnstx??ts??tnts??ty知參考信號，則互相關(guān)輸出 為：)(?xyR。如果參考信號 與信號 有著)()(21limnysyTxy dtytxR???????? ??ty??ts某種相關(guān)性，而已知 與噪聲 沒有相關(guān)性，且噪聲信號的平均值為零，則：??t??t， 中包含了信號 所攜帶的信息，這樣就把待測信號???syxysyRs檢測出來了。ts 鎖定放大器為了檢測出電導(dǎo)率信號，本系統(tǒng)設(shè)計了一種檢測微弱信號的方案，即正交矢量型鎖定放大器。正交矢量型鎖定放大器檢測原理為互相關(guān)檢測原理，其實質(zhì)就是用相敏檢波來實現(xiàn)信號頻譜遷移，用低通濾波器來抑制噪聲并濾去高頻分量。正交矢量型鎖定放大器原理圖如圖 所示。12信號通道0 176。 參考信號通道相敏檢波 19 0 176。 參考信號通道相敏檢波 2 低通濾波器 2低通濾波器 1運算單元IQA?待測信號 ()xt()Ztt圖 正交矢量型鎖定放大器原理圖圖 為正交矢量型鎖定放大器的運算流程圖。設(shè)待測信號為是伴有噪聲的正弦信號 ，即 ，其中 為隨機噪聲， 為有用正弦信號，()xt)()tsnt??()t()st即 ；1()sin2stAf???IQ平 方平 方求 和2I2開 方 運 算2IQ?2I?圖 運算單元結(jié)構(gòu)圖0176。參考信號為 ；sin2()i()rrtBft????90176。參考信號為 ；cossr其中 、 分別為待測信號及參考信號幅值， 、 分別為待測信號及參考Asfr信號頻率， 、 分別為待測信號及參考信號初始相位。1?2待測信號 通過相敏檢波 相敏檢波 2 有：()xt ??1sin122 12 12()()sin)()ico[(()]cos[()()]rr sr rZtrfttBftAABB ft???????????????????????????2cos122 12 12in()())sin[(()](sin[()()]rr s srZtxtAftftt ft??????????????????設(shè)低通濾波器 低通濾波器 2 截止頻率均為 ，當 ，且其帶寬cutfcutsrff?盡量窄時，可以認為在通過低通濾波器后的信號中噪聲信號忽略不計。當 時，則有： ；cutsrff??0IQ?13當 時，則有：srcutsrfff????，12o[2()()]srABIft????；12sinsrQft?當 時，則有：srf， 12co[()]ABI???。12sinQ由上述分析可知，當 時，輸出為直流信號，且 與 只與參考信號與srf?IQ待測信號幅度、相位有關(guān)。當 時，輸出信號為交流信號。srf?對于待測信號的 ，可利用 時， 與 求得，即： AsrI2AIQB?? 電導(dǎo)率信號轉(zhuǎn)換方案本系統(tǒng)采用電極激勵方案將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換成電信號。將一定寬度的單電極浸沒在待測的油脂萃取液中，對其中一片極板施加一定頻率和幅度的正弦信號，通過待測油脂萃取液后所施加的正弦信號會發(fā)生衰減，通過測定衰減系數(shù)便可得到電導(dǎo)率，具體轉(zhuǎn)換過程如下：Y信號源S內(nèi)阻 r待測液R傳感檢測單元圖 信號轉(zhuǎn)換示意圖如圖 所示，設(shè)信號源輸出的信號幅值為 A，內(nèi)阻 r 已知，待測液的14阻抗為 R，Y 為傳感檢測單元檢測的輸出幅值。則 r 與 R 為串聯(lián)，可得：，即 。再經(jīng)過進一步處理，依據(jù)電極的寬度 L 便可得到待Ar??rY*1?測液的電導(dǎo)率： 。然后將電導(dǎo)率信號經(jīng)過正交矢量型鎖定放大器，檢LRg測出輸出正弦信號的幅值，便得到待測液的電導(dǎo)率。2..2 信號源設(shè)計方案檢測電導(dǎo)率需施加正弦信號，所以本系統(tǒng)需要一個可調(diào)的正弦信號發(fā)生器。本系統(tǒng)是以 DE2 開發(fā)板為開發(fā)平臺，基于 FPGA 強大的數(shù)字電路設(shè)計功能，本系統(tǒng)采用 Altera 公司提供 NCO（數(shù)控震蕩器）核設(shè)計可控信號源部分，產(chǎn)生一路電極輸入激勵信號和兩路正交同頻率的正弦信號。具體設(shè)計見第三章。 中央處理部分設(shè)計方案本系統(tǒng)是基于 SOPC 技術(shù)搭建的檢測系統(tǒng)，因此采用 NiosII 軟核 CPU 作為中央處理器，搭建中央控制處理部分。NiosII 軟核 CPU 是 Altera 正式推出了 Nios II 系列 32 位 RSIC 嵌入式處理器。Nios II 系列軟核處理器是 Altera 的第二代 FPGA 嵌入式處理器，其性能超過 200DMIPS。Altera 的 Stratix 、Stratix GX、 Stratix II 和 Cyclone系列 FPGA 全面支持 Nios II 處理器，以后推出的 FPGA 器件也將支持 Nios II。Nios II 包括 3 種類型，分別是：Nios Ⅱ/f（快速）——最高的系統(tǒng)性能，中等 FPGA 使用量；Nios Ⅱ/s（標準）——高性能，低 FPGA 使用量；Nios Ⅱ/e（經(jīng)濟）——低性能，最低的 FPGA 使用量。這 3 種產(chǎn)品具有 32 位處理器的基本結(jié)構(gòu)單元——32 位指令大小，32 位數(shù)據(jù)和地址路徑，32 位通用寄存器和 32 個外部中斷源；使用同樣的指令集架構(gòu)（ISA） ，100%二進制代碼兼容，設(shè)計者可以根據(jù)系統(tǒng)需求的變化更改 CPU，選擇滿足性能和成本的最佳方案，而不會影響已有的軟件投入。 特別是，Nios Ⅱ系列支持使用專用指令。專用指令是用戶增加的硬件模塊，它增加了算術(shù)邏輯單元（ALU） 。用戶能為系統(tǒng)中使用的每個 Nios Ⅱ處理器創(chuàng)建多達 256 個專用指令，這使得設(shè)計者能夠細致地調(diào)整系統(tǒng)硬件以滿足性能目標。專用指令邏輯和本身 Nios Ⅱ指令相同，能夠從多達兩個源寄存器取值，可選擇將結(jié)果寫回目標寄存器。同時，Nios Ⅱ系列支持 60 多個外設(shè)選項，開發(fā)者能夠選擇合適的外設(shè)，獲得最合適的處理器、外設(shè)和接口組合，而不必支付根本不使用的硅片功能?！ios Ⅱ處理器具有完善的軟件開發(fā)套件，包括編譯器、集成開發(fā)環(huán)境（IDE） 、JTAG 調(diào)試器、實時操作系統(tǒng)（RTOS）和 TCP/IP 協(xié)議棧。設(shè)計者能夠用 Altera Quartus Ⅱ開發(fā)軟件中的 SOPC Builder 系統(tǒng)開發(fā)工具很容易地創(chuàng)建專用的處理器系統(tǒng)，并能夠根據(jù)系統(tǒng)的需求添加 Nios Ⅱ處理器核的數(shù)量。將處理器實現(xiàn)為 HDL 的 IP 核，開發(fā)者15能夠完全定制 CPU 和外設(shè)，獲得恰好滿足需求的處理器。以 Nios II 為基礎(chǔ)的處理部分足以完成對數(shù)據(jù)處理，對信號控制的任務(wù)。具體的搭建見第三章。 顯示及輸入設(shè)計方案獨立的顯示和輸入設(shè)備太過分散，不易于設(shè)備的集成。為了做到操作和顯示界面的友好與方便，本系統(tǒng)采用彩色觸摸屏的方案。彩色觸摸屏可以很好地將輸入與顯示集成為一體，可以做到操作界面簡單、直觀。 電阻式觸摸屏這種觸摸屏利用壓力感應(yīng)進行控制觸摸屏。電阻式觸摸屏分為：四線電阻屏 四線電阻模擬量技術(shù)的兩層透明金屬層工作時每層均增加 5V 恒定電壓：一個豎直方向，一個水平方向。總共需四根電纜。特點：高解析度，高速傳輸反應(yīng)。 表面硬度處理，減少擦傷、刮傷及防化學處理。具有光面及霧面處理。一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移。 五線電阻屏 　五線電阻技術(shù)觸摸屏的基層把兩個方向的電壓場通過精密電阻網(wǎng)絡(luò)都加在玻璃的導(dǎo)電工作面上，五線電阻觸摸屏內(nèi)層 ITO 需四條引線，外層只作導(dǎo)體僅僅一條，觸摸屏得引出線共有 5 條。特點：解析度高，高速傳輸反應(yīng)。表面硬度高，減少擦傷、刮傷及防化學處理。一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移。五線電阻觸摸屏有高價位和對環(huán)境要求高的缺點。 電容式觸摸屏電容技術(shù)觸摸屏 是利用人體的電流感應(yīng)進行工作的。電容式觸摸屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層 ITO，最外層是一薄層矽土玻璃保護層,夾層ITO 涂層作為工作面，四個角上引出四個電極，內(nèi)層 ITO 為屏蔽層以保證良好的工作環(huán)境。當手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸摸屏表面形成以一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置。 電容觸摸屏的缺陷 電容觸摸屏的透光率和清晰度優(yōu)于四線電阻屏，當然還不能和表面聲波屏和五線電阻屏相比。電容屏反光嚴重，而且，電容技術(shù)的四層復(fù)合觸摸屏對各波長光的透光率不均勻，存在色彩失真的問題，由于光線在各層間的反射，還造16成圖像字符的模糊。電容屏更主要的缺點是漂移：當環(huán)境溫度、濕度改變時，環(huán)境電場發(fā)生改變時，都會引起電容屏的漂移，造成不準確。由于本系統(tǒng)不要復(fù)雜的顯示與操作輸入，所以本系統(tǒng)采用價格便宜，控制簡單的電阻式 TFT 觸控屏。將顯示與操控界面統(tǒng)一于觸控屏上。 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 系統(tǒng)整體設(shè)計方案框圖檢測電極 鎖定放大器信號放大器信號源發(fā)生器Nios II 中央處理電路顯示及輸入部分圖 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖為了充分利用 FPGA 的系統(tǒng)資源，并進一步將本系統(tǒng)集成，除了檢測電極電路利用外部資源實現(xiàn)外，其余大部分電路包括正交矢量型鎖定放大器都用數(shù)字電路實現(xiàn)，并集成于 FPGA 芯片上。信號從檢測電極發(fā)出后，將經(jīng)過 ADC 電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，而 NCO 核產(chǎn)生的正弦激勵信號將經(jīng)過 DAC 電路轉(zhuǎn)換成模擬信號。通過上述設(shè)計，以期達到本系統(tǒng)的全數(shù)字化。 系統(tǒng)工作流程由信號源發(fā)生器產(chǎn)生正弦激勵信號輸入到檢測電極一端，激勵信號經(jīng)過待測油脂萃取液發(fā)生衰減并從另一端輸出；檢測電極上提出衰減信號經(jīng)過信號放大器傳輸進入鎖定放大器，鎖定放大器的兩路正交同頻率參考信號由 NCO 核產(chǎn)生，經(jīng)過鎖定放大器處理可得包含衰減幅值的電信號；電信號經(jīng)過 Nios II 軟核CPU 計算處理轉(zhuǎn)換成電導(dǎo)率；而后，中央處理部分根據(jù)所得電導(dǎo)率判斷，被檢油脂是否為地溝油；結(jié)果通過顯示部分輸出，操作人員可通過輸入接口查看更多檢測信息。17 系統(tǒng)功能與指標本系統(tǒng)的功能：通過檢測油脂萃取液的電導(dǎo)率，能初步檢測出合格食用油與地溝油，以及實現(xiàn)微弱信號的檢測。本系統(tǒng)的指標：工作于常溫環(huán)境 25℃—40℃；輸出值穩(wěn)定。第三章 地溝油檢測系統(tǒng)的總體硬件架構(gòu)本系統(tǒng)由友晶公司制造的 DE2 這塊經(jīng)典的 FPGA 開發(fā)板平臺搭建，在 DE2 平臺上的 Cyclone II EP2C35F672C6 芯片內(nèi)嵌入了一個 Nios II 軟核 CPU，并通18過硬件語言編程實現(xiàn) NCO 核，正交矢量型鎖定放大器，帶通濾波器等數(shù)字電路，以及外部檢測電極與 ADC 轉(zhuǎn)換電路等少量外部模擬電路構(gòu)成。 系統(tǒng)硬件組成框圖信號采集兩路相位相差9 0 176。 的 N C O核C y c l o n I I F P G AN I O S I I C P U I 1溫度采集核S D R A M 控制器F L A S HA D C 接口8 M S D R A M4 M F l a s h溫度采集模塊3 2 0 2 4 0 觸摸屏3 2 0 2 4 0 L CD 接口D A C 7 6 2 1A D S 8 2 8 E激勵正弦信號響應(yīng)信號F I R B P F信號放大乘法器 F I R L P F 加法器檢測電極圖 系統(tǒng)硬件組成框圖系統(tǒng)主要由五大部分組成：外部檢測電極模塊、信號源、CPU 及接口、鎖定放大器、觸控顯示部分。信號源、CPU 及接口、鎖定放大器全以數(shù)字方式實現(xiàn)，并留下與外部電路的接口，實現(xiàn)數(shù)字化處理。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以