于曉淼， 苑文舉， 張孝飛

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

為保證奶源質(zhì)量，防止不合格乳制品流入市場(chǎng)，解決的手段之一就是在收購(gòu)散戶鮮奶過(guò)程中進(jìn)行鮮奶奶質(zhì)快速綜合檢測(cè)。正常情況下，鮮奶中只要摻兌了任何其它成分，表征鮮奶奶質(zhì)的重要特征即密度和電導(dǎo)率及5種相關(guān)離子（氯離子，鈣離子，鈉離子，硝酸根離子，亞硝酸根離子）的濃度就會(huì)出現(xiàn)異常。針對(duì)表征鮮奶奶質(zhì)的重要特征，本實(shí)驗(yàn)參照文獻(xiàn)[1-3]設(shè)計(jì)出一款電子式鮮奶奶質(zhì)綜合指標(biāo)快速檢測(cè)儀。

1 儀器原理簡(jiǎn)介及整體設(shè)計(jì)

從表征鮮奶奶質(zhì)的重要特征出發(fā)，同時(shí)考慮溫度及pH值對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，合理設(shè)計(jì)電路，分別對(duì)密度和電導(dǎo)率、氯離子濃度、鈣離子濃度、鈉離子濃度、硝酸根離子濃度、亞硝酸根離子濃度、溫度、pH值等相關(guān)信息進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。為提高測(cè)量速度，文中采用并行處理方法，即一個(gè)主控制器及必要的外圍電路和6路數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算電路。主控制器綜合控制6路數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算電路，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并完成對(duì)鍵盤、液晶顯示、打印機(jī)、相關(guān)通訊接口的控制，并利用外圍運(yùn)放電路對(duì)溫度及pH值進(jìn)行測(cè)量;6路數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算電路采集各自傳感器所收集的信息并進(jìn)行合理運(yùn)算，得到相應(yīng)的密度和電導(dǎo)率及5種離子的濃度送給主控制電路綜合處理;數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算電路的激勵(lì)采用DDS產(chǎn)生的正弦波信號(hào)，以往通常以FPGA為核心實(shí)現(xiàn)DDS功能[4]，但其設(shè)計(jì)復(fù)雜繁瑣且成本較高。文中選用AD5933芯片，該芯片內(nèi)嵌DDS內(nèi)核，可產(chǎn)生幅值及頻率可調(diào)的正弦波，并可進(jìn)行掃頻，達(dá)到較好的效果。為提高開(kāi)發(fā)效率，主控制器電路和6路數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算電路均各自外配仿真電路，可同時(shí)在線仿真，開(kāi)發(fā)過(guò)程中隨時(shí)對(duì)運(yùn)算方法進(jìn)行修正。

2 鮮奶奶質(zhì)檢測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)

主控制器選用意法半導(dǎo)體公司的STR710FZ2，該芯片含有ARM7TDMI內(nèi)核及豐富的片內(nèi)外設(shè)資源[5-6]，用來(lái)管理鍵盤、液晶顯示器、打印機(jī)和USB接口，并采集密度、離子濃度、pH值和溫度信息。數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算電路的從處理器選用性價(jià)比較高的C8051F020[7]，監(jiān)視和檢測(cè)密度及離子濃度的變化。為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算電路中采用AD5933芯片，該芯片內(nèi)嵌DDS內(nèi)核，可輸出最高頻率達(dá)100 kHz，分辨率小于0.1 Hz的峰峰值可調(diào)的正選波，是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案。

2.1 基于AD5933的離子濃度檢測(cè)

2.1.1 DDS基本原理

直接數(shù)字頻率合成（DDS）是一種以相位出發(fā)的波形合成概念。DDS系統(tǒng)主要包括相位步進(jìn)量寄存器、相位累加器、地址發(fā)生器、波形表存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換幾個(gè)部分組成。其基本原理如圖1所示。

圖1 DDS基本原理框圖

全加器和寄存器構(gòu)成了相位累計(jì)器，由基準(zhǔn)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，以步進(jìn)量M累加，累加的結(jié)果即相位值。將相位作為波形表地址，直接從存儲(chǔ)器讀出幅值數(shù)據(jù)，從而完成相位-幅值的轉(zhuǎn)換。相位數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬量。

通常DDS功能由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要分別設(shè)計(jì)相位步進(jìn)量寄存器、相位累加器、地址發(fā)生器、波形表存儲(chǔ)器，還需要外接DAC等。雖然產(chǎn)生的波形信號(hào)靈活可變，可實(shí)現(xiàn)AM，F(xiàn)M，F(xiàn)SK， PSK，Burst調(diào)制及掃頻等功能，但其設(shè)計(jì)復(fù)雜、工作效率較低。本設(shè)計(jì)采用正弦波激勵(lì)外部復(fù)阻抗進(jìn)行測(cè)量，因此必須加入DDS模塊部分。又考慮到利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)DDS成本較高，設(shè)計(jì)復(fù)雜，因此，文中采用片上集成DDS模塊的AD5933作為阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案。

2.1.2 AD5933基本工作原理

AD5933是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案，其原理框圖如圖2所示。

圖2 AD5933功能框圖

該芯片片上內(nèi)嵌了DDS模塊與高性能的12位、1 MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，足以滿足數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算電路對(duì)激勵(lì)信號(hào)的要求。用頻率發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)激勵(lì)外部復(fù)阻抗，外部阻抗的響應(yīng)信號(hào)由片上ADC進(jìn)行采樣，然后由片上DSP進(jìn)行離散傅里葉變換（DFT）處理。DFT算法在每個(gè)頻率上返回一個(gè)實(shí)部數(shù)據(jù)字（R）和一個(gè)虛部數(shù)據(jù)字（I）。校準(zhǔn)之后，利用讀取的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)字計(jì)算出外部復(fù)阻抗。

2.1.3 離子選擇性電極間的等效阻抗或?qū)Ъ{的計(jì)算

AD5933允許對(duì)寄存器設(shè)置來(lái)自定義DDS的起始頻率、頻率分辨率和掃描點(diǎn)數(shù)執(zhí)行頻率掃描。此外，還允許通過(guò)調(diào)節(jié)片內(nèi)增益改變輸出正弦波信號(hào)的峰峰值，以激勵(lì)外部未知復(fù)阻抗。針對(duì)掃描中的每個(gè)頻率點(diǎn)，器件都會(huì)進(jìn)行一次DFT變換，算法如下:

式中:X（f）——信號(hào)在該頻率點(diǎn)的能量;

x（n）——ADC的輸出;

cos（n），sin（n）——DDS內(nèi)核提供的頻率為f的采樣測(cè)試矢量。

計(jì)算復(fù)阻抗第一步為計(jì)算該點(diǎn)的DFT幅度，算法如下:

為將此值轉(zhuǎn)換為復(fù)阻抗，必須乘以該芯片的增益系數(shù)。增益系數(shù)是在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間利用Vout和Vin引腳之間的已知阻抗算出。對(duì)AD5933進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，選取校準(zhǔn)阻抗為Rm，當(dāng)DFT轉(zhuǎn)換完成后可計(jì)算增益系數(shù)，計(jì)算增益系數(shù)的算法如下:

考慮到電容的容抗及電感的感抗會(huì)隨頻率的變化而變化，因此，增益系數(shù)也會(huì)隨著頻率的變化而變化。為提高系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度，采用兩點(diǎn)頻率校準(zhǔn)的方法，即高頻段和低頻段分別取一個(gè)頻率點(diǎn)，分別計(jì)算這兩點(diǎn)增益系數(shù)，將這兩點(diǎn)的增益系數(shù)求平均值作為系統(tǒng)的增益系數(shù)。算出增益系數(shù)之后，可對(duì)離子選擇性電極間的等效阻抗或?qū)Ъ{即外部復(fù)阻抗進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，外部未知復(fù)阻抗計(jì)算方法如下:

2.2 鮮奶溫度的測(cè)量

溫度是影響表征鮮奶指標(biāo)兩大特征的重要因素，因此，文中在測(cè)量離子選擇性電極間等效阻抗或?qū)Ъ{的同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量。溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 溫度測(cè)量電路

選擇熱敏電阻作為第一級(jí)運(yùn)放電路的反饋電阻，由溫度變化影響熱敏電阻的阻值，進(jìn)而影響第一級(jí)運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)，通過(guò)第二級(jí)運(yùn)放對(duì)電壓值進(jìn)一步放大，模擬電壓值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由IIC接口送給STR710FZ2處理，ST R710FZ2根據(jù)接收數(shù)據(jù)計(jì)算環(huán)境溫度。

2.3 鮮奶pH值的測(cè)量

鮮奶pH值對(duì)表征鮮奶質(zhì)量?jī)纱筇卣饔幸欢ǖ挠绊?，因此，本系統(tǒng)對(duì)鮮奶pH值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 pH值測(cè)量電路

選擇高輸入阻抗的運(yùn)放CA3140采集pH值輸入信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大，模擬電壓值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由IIC接口送給STR710FZ2處理。

STR710FZ2根據(jù)以上測(cè)得的離子選擇性電極間的等效阻抗或?qū)Ъ{，綜合考慮環(huán)境溫度及鮮奶pH值，實(shí)現(xiàn)鮮奶奶質(zhì)綜合指標(biāo)的快速檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)對(duì)大量鮮奶樣本進(jìn)行測(cè)量，部分檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 部分檢測(cè)樣本數(shù)據(jù)

測(cè)量結(jié)果表明，對(duì)純鮮奶及摻入雜質(zhì)的鮮奶進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果均在預(yù)期范圍以內(nèi)，吻合較好，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的鮮奶奶質(zhì)檢測(cè)儀利用AD5933片內(nèi)集成DDS內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)，對(duì)離子選擇性電極間的等效阻抗或?qū)Ъ{測(cè)量電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)采用并行結(jié)構(gòu)，以電路冗余為代價(jià)，提高測(cè)量速度，使測(cè)量時(shí)間不超過(guò)4 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路設(shè)計(jì)及算法合理，可對(duì)鮮奶奶質(zhì)綜合指標(biāo)進(jìn)行快速檢測(cè)。

[1] 李春.乳品分析與檢測(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] 胡會(huì)利，李寧.電化學(xué)測(cè)量[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[3] 張和平.現(xiàn)代乳品工業(yè)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2005.

[4] 苑文舉，陳曉霞，蔡翔.基于VerilogHDL的新型DDS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，31（6）:697-700.

[5] 沈建華，姜寧.ST R711X系類ARM微控制器原理與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

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[7] 張迎新.C8051F系列SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[6] 沈建華.STR71x系列ARM微控制器原理與實(shí)踐. [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.