【正文】 應(yīng)用功能擴(kuò)展 本系統(tǒng)僅進(jìn)行了對(duì)地溝油。一維傳感器對(duì)某些物質(zhì)的區(qū)分不是十分明顯，因此在后續(xù)的研究中，可在本系統(tǒng)平臺(tái)上掛載多個(gè)傳感器，采集多種物質(zhì)參數(shù)，例如：氣味參數(shù)、重金屬元素參數(shù)、透光度參數(shù)等。由于非接觸式檢測(cè)的傳感器的制作復(fù)雜，需要測(cè)量大量的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，所以在本系統(tǒng)未能采用。而非接觸式電導(dǎo)率檢測(cè)利用電容式傳感器的檢測(cè)原理，以高壓正弦激勵(lì)信號(hào)通過(guò)檢測(cè)電極，電極與液體相隔離形成電容性，檢測(cè)通過(guò)電容的交流信號(hào)衰減值，已達(dá)到檢測(cè)電導(dǎo)的目的。由于能力和時(shí)間有限，本系統(tǒng)還存在許多不足之處，所以提出部改進(jìn)方案和更高的功能期望 。由于系統(tǒng)涉及化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)和微弱信號(hào)檢測(cè)，屬于學(xué)科交叉部分，需要一定化學(xué)知識(shí)和豐富的信號(hào)處理方面的知識(shí)。 表 是常用的純液體的電導(dǎo)率表。 測(cè)試結(jié)果：測(cè)試 結(jié)果沒(méi)有進(jìn)行最終的電導(dǎo)率值轉(zhuǎn)換，記錄的是相應(yīng)測(cè)試的輸出電壓幅值。 此測(cè)試使用了：乙醇、甲醇、甘油、甘醇、乙酸、丙酮、乙酸乙酯等萃取液。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率信號(hào)的檢測(cè)。通過(guò)對(duì)該處的檢測(cè)檢可判斷輸出的幅值是否與輸入相同。 測(cè)試工具： DS1102E 型數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、 MATLAB 軟件 測(cè)試方法：利用信號(hào)發(fā)生 器產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)，輸入到信號(hào)處理部分中，觀察關(guān)鍵部分的波形。 測(cè)試范圍：檢測(cè)電極檢測(cè)出的電壓差值，電壓差值的誤差范圍以及檢測(cè)的靈敏度。 測(cè)試環(huán)境： 硬件平臺(tái)：友晶公司研發(fā)的 DE2 開(kāi)發(fā)板。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地地溝油檢測(cè)。 本系統(tǒng)的軟件部分代碼詳見(jiàn)附錄部分。 顯示報(bào)警 CPU 將判斷結(jié)果輸出到觸控屏顯示端，顯示被測(cè)液的電導(dǎo)率的值，如果是地溝油則同時(shí)報(bào)警。 電導(dǎo)率值計(jì)算 利用鎖定放大器傳送來(lái)的數(shù)值，經(jīng)過(guò)開(kāi)方運(yùn)算，除以參考信號(hào)的幅值便可得出被測(cè)液的電率導(dǎo)值。 25 第四章 地溝油檢測(cè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)及實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)軟件流程圖 檢 測(cè) 并 計(jì) 算 出 電 導(dǎo)率比 較 相 關(guān) 參 數(shù)L C D 顯 示 參 數(shù) 狀 態(tài)是 否 判 別 為 地溝 油 ？顯 示 報(bào) 警開(kāi) 始是循環(huán)檢測(cè)循環(huán)檢測(cè) 圖 系統(tǒng)軟件流程圖 軟件各部分分析 本系統(tǒng)軟件分為三個(gè)部分：電導(dǎo)率值計(jì)算部分，判斷是否為地溝油部分，顯示報(bào)警部分。芯片上的資源大部分被數(shù)字濾波器所占用，總邏輯單元的占用率 95%，對(duì)現(xiàn)有資源利用充分。外設(shè)接口包括： SRAM 接口、兩個(gè) NCO 控制接口、觸控屏控制接口以及信號(hào)輸入接口。本系統(tǒng)采用 Nios II的 Nios Ⅱ/s —— 標(biāo)準(zhǔn) 型，以減少 FPGA 資源的消耗。 圖 加法器原理圖 d. 參考信號(hào)源 參考信號(hào)源直接由 NCO 核產(chǎn)生兩路同頻正交正弦信號(hào)提供。 assign sum=a+b。 output signed[24:0] sum。 求和電路的功能是將兩路信號(hào)相加并輸出其和，求和電路的具體實(shí)現(xiàn)是利用FPGA 的可編程性，用 Verilog HDL 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的 。其中開(kāi)方運(yùn)算由CPU 單獨(dú)完成，以降低電路的復(fù)雜程度。通過(guò)利用 Altera 公司提供的濾波器 IP 核，通過(guò)相應(yīng)的設(shè)置得到了截止頻率為 20KHz 的 70階低通濾波器。 assign data_big={data_small[11],4*data_small[10:0]}。 input signed [11:0] data_small。 NCO 核 DAC7621驅(qū)動(dòng)電路 DAC7621 CPU 22 兩路相敏檢波電路所起的作用是一樣的，都是將待測(cè)信號(hào)與兩路參考信號(hào)分別相乘，即相敏檢波電路在此處就是數(shù)字乘法電路。 參 考 信 號(hào) 通 道相 敏 檢 波 19 0 176。鎖定放大器的具體電路實(shí)現(xiàn)包括：兩路相敏檢波電路，兩路低通濾波器，運(yùn)算單元。 該部分由兩個(gè) NCO 核組成，一個(gè)產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)，一個(gè)產(chǎn)生兩路同頻率的正交正弦信號(hào)；該部分能有效地實(shí)現(xiàn)激勵(lì)正弦信號(hào)的產(chǎn)生，為檢測(cè)電極提供檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)為鎖定放大器提供兩路同頻率正交正弦參考信號(hào) 。 C to +85176。 DAC7621是一個(gè) 12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器， +5V單電源供電，包含輸入寄 存器， 的內(nèi)部參考電壓，高速軌對(duì)軌的輸出運(yùn)算放大器，快速的建立時(shí)間每 7uS 傳輸1LSB，它的工作功率為 。 NCO 核被設(shè)置成 16 位頻率控制，正交雙通道 12 位輸出的數(shù)控震蕩源。 end endmodule 信號(hào) 源部分 本系統(tǒng)的信號(hào)源是用 Altera提供的 NCO核組建而成， NCO核的控制端口與 CPU相聯(lián)，輸出端口與外部 DAC 相聯(lián)。 else CLK_ADC=0。 else Cntr_CLK_ADC=0。s clk ///////////to create 828e39。 reg [15:0] Cntr_CLK_ADC。 output reg [9:0] DATA_Output。 20 input CLK_50M,CS。圖 顯示的是 ADS828E 驅(qū)動(dòng)模塊。 C 到 +85℃。 DAC7621是一個(gè) 12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器， +5V單電源供電，包含輸入寄存器， 的內(nèi)部參考電壓，高速軌對(duì)軌的輸出運(yùn)算放大器，快速的建立時(shí)間每 7uS 傳輸1LSB，它的工作功率為 。 ,還提供了一個(gè)省電模式 ,因此減少功耗僅 20 mw。這個(gè)外部參考選項(xiàng)提供了優(yōu)秀的增益和抵消匹配當(dāng)用于多通道應(yīng)用程序或應(yīng)用程序在量需要調(diào)整。包括 10 位量化器、高帶寬跟蹤 /維持 ,精度高內(nèi)部參考。此處的 ADC 芯片采用 ADS828。 檢測(cè)電極部分 檢測(cè)電極 部分的電極是由兩片金屬片加上引出的導(dǎo)線再外加玻璃封裝而成。信號(hào)源、 CPU 及接口、鎖定放大器全以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，并留下與外部電路的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理。 系統(tǒng)硬件組成框圖 信 號(hào) 采 集兩 路 相 位 相 差9 0 176。 本系統(tǒng)的指標(biāo)：工作于常溫環(huán)境 25℃ — 40℃；輸出值穩(wěn)定。 系統(tǒng)工作流程 由信號(hào)源發(fā)生器產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)輸入到檢測(cè)電極一端，激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)待測(cè)油脂萃取液發(fā)生衰減并從另一端輸出；檢測(cè)電極上提出衰減信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器傳輸進(jìn)入鎖定放大器，鎖定放大器的兩路正交同頻率參考信號(hào)由 NCO 核產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)鎖定放大器處理可得包含衰減幅值的電信號(hào)；電信號(hào)經(jīng)過(guò) Nios II 軟核 CPU計(jì)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(guò)顯示部分輸出，操作人員可通過(guò)輸入接口 查看更多檢測(cè)信檢 測(cè)電極 鎖定放大器 信號(hào)放大器 信號(hào)源發(fā)生器 Nios II 中央處理電路 顯示及輸入部分 17 息。信號(hào)從檢測(cè)電極發(fā)出后，將經(jīng)過(guò) ADC 電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，而 NCO 核產(chǎn)生的正弦激勵(lì)信 號(hào)將經(jīng)過(guò) DAC 電路轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。將顯示與操控界面統(tǒng)一于觸控屏上。電容屏更主要的缺點(diǎn)是漂移：當(dāng)環(huán)境溫度、濕度改變時(shí)，環(huán)境電場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，都會(huì)引起電容屏的漂移，造成不準(zhǔn)確。 16 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(dāng) 然還不能和表面聲波屏和五線電阻屏相比。當(dāng)手指觸摸在金屬層上時(shí)，由于人體電場(chǎng)，用戶和觸摸屏表面形成以一個(gè) 耦合電容 ，對(duì)于高頻電流來(lái)說(shuō)，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點(diǎn)吸走一個(gè)很小的電流。 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(jìn)行工作的。一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移。特點(diǎn)：解析度高，高速傳輸反應(yīng)。一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移。 表面硬度處理，減少擦傷、刮傷及防化學(xué)處理?？偣残杷母娎|。 電阻式觸摸屏 這種觸摸屏利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制觸摸屏。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。具體的搭建見(jiàn)第三章。將處理器實(shí)現(xiàn)為 HDL 的 IP 核，開(kāi)發(fā)者能夠完全定制 CPU 和外設(shè)，獲得恰好滿足需求的處理器。 Nios Ⅱ 處理器具有完善的 軟件 開(kāi)發(fā)套件，包括 編譯器 、 15 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 （ IDE）、 JTAG 調(diào)試器、 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （ RTOS）和 TCP/IP 協(xié)議 棧。專用指令邏輯和本身 Nios Ⅱ 指令相同 ，能夠從多達(dá)兩個(gè)源寄存器取值，可選擇將結(jié)果寫回目標(biāo)寄存器。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）。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(gè)外部中斷源；使用同樣的 指令集架構(gòu) （ ISA）， 100%二進(jìn)制代碼兼容，設(shè)計(jì)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(huì)影響已有的 軟件投入。 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。 NiosII 軟核 CPU 是 Altera 正式推出了 Nios II 系列 32位 RSIC 嵌入式處理器 。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)第三章。 2..2 信號(hào)源設(shè)計(jì)方案 檢測(cè)電導(dǎo)率需施加正弦信號(hào)，所以本系統(tǒng)需要一個(gè)可調(diào)的正弦信號(hào)發(fā)生器。再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，依據(jù)電極的寬度 L便可得到待測(cè)液的電導(dǎo)率：LRg *1? 。將一定寬度的單電極浸沒(méi)在待測(cè)的油脂萃取液中，對(duì)其中一片極板施加一定頻率和幅度的正弦信號(hào)，通過(guò)待測(cè)油脂萃取液后所施加的正弦信號(hào)會(huì)發(fā)生衰減，通過(guò)測(cè) 定衰減系數(shù)便可得到電導(dǎo)率，具體轉(zhuǎn)換過(guò)程如下： Y 信號(hào)源 S 內(nèi)阻 r 待測(cè)液R 傳感檢測(cè)單元 14 圖 信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖 如圖 所示，設(shè)信號(hào)源輸出的信號(hào)幅值為 A，內(nèi)阻 r 已知，待測(cè)液的阻抗為 R， Y 為傳感檢測(cè)單元檢測(cè)的輸出幅值。當(dāng) srff? 時(shí)，輸出信號(hào)為交流信號(hào)。 13 當(dāng) cut s rf f f??時(shí)，則有： 0IQ??； 當(dāng) s r cut s rf f f f f? ? ? ?時(shí)，則有： 12c o s [ 2 ( ) ( ) ]2 srABI f f t? ? ?? ? ? ?，12s in [ 2 ( ) ( ) ]2 srABQ f f t? ? ?? ? ? ?； 當(dāng) srff? 時(shí)，則有： 12co s[ ( )]2ABI ????， 12sin [( )]2ABQ ????。 參考 信號(hào)為 c os 2( ) c os ( 2 )rr t B f t????； 其中 A 、 B分別為待測(cè)信號(hào)及參考信號(hào)幅值， sf 、 rf 分別為待測(cè)信號(hào)及參考信號(hào)頻率， 1?、 2? 分別為待測(cè)信號(hào)及參考信號(hào)初始相位。設(shè)待測(cè)信號(hào)為是伴有噪聲的正弦信號(hào) ()xt，即 ( ) ( ) ( )x t s t n t??， 其中 ()nt為隨機(jī)噪聲 ， ()st 為有用 正弦 信號(hào)，即 1( ) si n( 2 )ss t A f t????； IQ平 方平 方求 和2I 2Q開(kāi) 方 運(yùn) 算22IQ? 22IQ? 圖 運(yùn)算單元結(jié)構(gòu)圖 0176。 參 考 信 號(hào) 通 道相 敏 檢 波 19 0 176。正交矢量型鎖定放大器原理圖如圖 。 鎖定放大器 為了檢測(cè)出電導(dǎo)率信號(hào)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)微弱信號(hào)的方案，即正交矢量型鎖定放大器。其中 ??ts 為待測(cè)信號(hào)， ??tn 為信號(hào) ??ts 中混入的噪聲， ??ty 為已知參考信號(hào)，則互相關(guān)輸出 )(?xyR 為： )()()()(21l i m ??? nysyTTTxyRRdttytxTR ???? ???? 。 圖 互相關(guān)檢測(cè)原理框圖 圖 是實(shí)現(xiàn)互相關(guān)檢測(cè)的原理框圖。 圖 自相關(guān)檢測(cè)原理框圖 由圖 輸出： ? ? )()()()()()(1lim 2/2/?????? nnnssnssiTT iTXXRRRRdttxtxTR ?????? ????，根據(jù)互相關(guān)的性質(zhì)，由于信號(hào) S（ t）與噪聲信號(hào) N（ t）不相關(guān)，并且噪聲的 平均值為零，得到 0)( ??snR ， 0)( ??nsR ，則 Rxx(? )= )()( ?? nnss RR ? ，隨 ? 的增大， 0?nnR 則對(duì)充分大的 ? ，可得 )()( ?? ssxx RR ? ，就得到了信號(hào) S(t)的自相關(guān)函數(shù) )(?ssR ，乘法器 ∫ 延時(shí)器（ ? ） Xi(t)=Si(t)+Ni(t) Rxn(? ) 11 它包含了 S(t)所攜帶的某些信息。隨機(jī)噪聲之間不相關(guān)。 相關(guān)檢測(cè)技術(shù) 對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)常采用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，相關(guān)檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn)，通過(guò)自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到去除噪聲檢測(cè)出有用信號(hào)的一種技術(shù)。因此，對(duì)地溝油的測(cè)定最終轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)油脂的萃取水相電導(dǎo)率的測(cè)定。通過(guò)對(duì)待測(cè)油脂的 萃取水相電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量就可初步判斷出其是否為地溝油。由 表 可知地溝油與合格食用油經(jīng)水萃取后的水相電導(dǎo)率有很大區(qū)別，合格食用油的水萃取液的水相電導(dǎo)率值都在 10μ S/cm 以下，而地溝油的水萃取液的水相電導(dǎo)率值都在 S/cm