【文章內容簡介】 檢測出地溝油。因此，對地溝油的測定最終轉變?yōu)閷τ椭妮腿∷嚯妼实臏y定。由于油脂的萃取水相電導率所引起的電信號十分微弱，所以本設計涉及到微弱信號的檢測問題。 相關檢測技術對微弱信號的檢測常采用相關檢測技術，相關檢測技術是應用信號周期性和噪聲隨機性的特點，通過自相關或互相關運算，達到去除噪聲檢測出有用信號的一種技術。由于檢測過程中，信號和噪聲是相互獨立的過程，根據相關函數與自相關函數可知信號只與信號本身相關，而與噪聲不相關。隨機噪聲之間不相關。由相關資料 [17]得到：a．自相關檢測自相關函數： 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 自相關檢測原理框圖由圖 輸出：，根據互相關?? )()()(1lim2// ???? nnssnsiTiX RRdtxtR ?????????的性質，由于信號 S（t）與噪聲信號 N（t）不相關，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)的自相關函R?)(sxR?11數 ，它包含了 S(t)所攜帶的某些信息。)(?sR互相關函數： 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 互相關檢測原理框圖圖 是實現互相關檢測的原理框圖。設輸入 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，則互相關輸出 為：)(?xyR。如果參考信號 與信號 有著)()(21limnysyTxy dtytxR???????? ??ty??ts某種相關性，而已知 與噪聲 沒有相關性，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率信號，本系統設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檢測原理，其實質就是用相敏檢波來實現信號頻譜遷移，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 運算單元結構圖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。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?? 電導率信號轉換方案本系統采用電極激勵方案將電導率轉換成電信號。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，通過測定衰減系數便可得到電導率，具體轉換過程如下：Y信號源S內阻 r待測液R傳感檢測單元圖 信號轉換示意圖如圖 所示，設信號源輸出的信號幅值為 A，內阻 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，可得：，即 。再經過進一步處理，依據電極的寬度 L 便可得到待Ar??rY*1?測液的電導率： 。然后將電導率信號經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率。2..2 信號源設計方案檢測電導率需施加正弦信號，所以本系統需要一個可調的正弦信號發(fā)生器。本系統是以 DE2 開發(fā)板為開發(fā)平臺，基于 FPGA 強大的數字電路設計功能，本系統采用 Altera 公司提供 NCO（數控震蕩器）核設計可控信號源部分，產生一路電極輸入激勵信號和兩路正交同頻率的正弦信號。具體設計見第三章。 中央處理部分設計方案本系統是基于 SOPC 技術搭建的檢測系統，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（經濟）——低性能，最低的 FPGA 使用量。這 3 種產品具有 32 位處理器的基本結構單元——32 位指令大小，32 位數據和地址路徑，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（ISA） ，100%二進制代碼兼容，設計者可以根據系統需求的變化更改 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，它增加了算術邏輯單元（ALU） 。用戶能為系統中使用的每個 Nios Ⅱ處理器創(chuàng)建多達 256 個專用指令，這使得設計者能夠細致地調整系統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，可選擇將結果寫回目標寄存器。同時，Nios Ⅱ系列支持 60 多個外設選項，開發(fā)者能夠選擇合適的外設，獲得最合適的處理器、外設和接口組合，而不必支付根本不使用的硅片功能。　Nios 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 調試器、實時操作系統（RTOS）和 TCP/IP 協議棧。設計者能夠用 Altera Quartus Ⅱ開發(fā)軟件中的 SOPC Builder 系統開發(fā)工具很容易地創(chuàng)建專用的處理器系統，并能夠根據系統的需求添加 Nios Ⅱ處理器核的數量。將處理器實現為 HDL 的 IP 核，開發(fā)者15能夠完全定制 CPU 和外設，獲得恰好滿足需求的處理器。以 Nios II 為基礎的處理部分足以完成對數據處理，對信號控制的任務。具體的搭建見第三章。 顯示及輸入設計方案獨立的顯示和輸入設備太過分散，不易于設備的集成。為了做到操作和顯示界面的友好與方便，本系統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?？偣残杷母娎|。特點：高解析度，高速傳輸反應。 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 　五線電阻技術觸摸屏的基層把兩個方向的電壓場通過精密電阻網絡都加在玻璃的導電工作面上，五線電阻觸摸屏內層 ITO 需四條引線，外層只作導體僅僅一條，觸摸屏得引出線共有 5 條。特點：解析度高，高速傳輸反應。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觸摸屏 是利用人體的電流感應進行工作的。電容式觸摸屏是一塊四層復合玻璃屏，玻璃屏的內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，電容技術的四層復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。由于本系統不要復雜的顯示與操作輸入，所以本系統采用價格便宜，控制簡單的電阻式 TFT 觸控屏。將顯示與操控界面統一于觸控屏上。 系統總體設計方案 系統整體設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 系統整體設計框圖為了充分利用 FPGA 的系統資源，并進一步將本系統集成，除了檢測電極電路利用外部資源實現外，其余大部分電路包括正交矢量型鎖定放大器都用數字電路實現，并集成于 FPGA 芯片上。信號從檢測電極發(fā)出后，將經過 ADC 電路轉換成數字信號，而 NCO 核產生的正弦激勵信號將經過 DAC 電路轉換成模擬信號。通過上述設計，以期達到本系統的全數字化。 系統工作流程由信號源發(fā)生器產生正弦激勵信號輸入到檢測電極一端，激勵信號經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 核產生，經過鎖定放大器處理可得包含衰減幅值的電信號；電信號經過 Nios II 軟核CPU 計算處理轉換成電導率；而后，中央處理部分根據所得電導率判斷，被檢油脂是否為地溝油；結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 系統功能與指標本系統的功能：通過檢測油脂萃取液的電導率，能初步檢測出合格食用油與地溝油，以及實現微弱信號的檢測。本系統的指標：工作于常溫環(huán)境 25℃—40℃；輸出值穩(wěn)定。第三章 地溝油檢測系統的總體硬件架構本系統由友晶公司制造的 DE2 這塊經典的 FPGA 開發(fā)板平臺搭建，在 DE2 平臺上的 Cyclone II EP2C35F672C6 芯片內嵌入了一個 Nios II 軟核 CPU，并通18過硬件語言編程實現 NCO 核，正交矢量型鎖定放大器，帶通濾波器等數字電路，以及外部檢測電極與 ADC 轉換電路等少量外部模擬電路構成。 系統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 系統硬件組成框圖系統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、鎖定放大器全以數字方式實現，并留下與外部電路的接口，實現數字化處理。 系統硬件結構以