摘 要： 根據(jù)超聲波在牛奶中傳播的聲學(xué)特性的變化與牛奶中的某些成分存在一定的函數(shù)關(guān)系，基于ARM核芯片S3C44B0X與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCLinux，提出了一種智能型超聲波乳品成份檢測(cè)儀" title="檢測(cè)儀">檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案，并在測(cè)時(shí)電路里運(yùn)用了鎖相環(huán)" title="鎖相環(huán)">鎖相環(huán)技術(shù)，提高了對(duì)超聲傳播的時(shí)間測(cè)量的精確度。
關(guān)鍵詞： ARM 鎖相環(huán) 聲波 檢測(cè)儀
牛奶作為一種有益人體健康的綠色飲品，其安全和質(zhì)量檢測(cè)，需要一種能快速檢測(cè)牛奶品質(zhì)的簡(jiǎn)便儀器，為人們的健康安全把關(guān)。國(guó)外乳品檢測(cè)儀器都可較快的測(cè)量乳品的脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖等多種成份，自動(dòng)化程度很高。但是也存在許多缺點(diǎn)：體積較大，儀器的操作和保養(yǎng)維護(hù)比較復(fù)雜，時(shí)間穩(wěn)定性不高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間就需要用新標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)定曲線，最主要的是此類儀器成本較高，售價(jià)高昂(百萬(wàn)元人民幣以上)，不利于在中國(guó)普及。目前國(guó)內(nèi)擁有該儀器的公司并不很多，而且由于國(guó)外的售后服務(wù)不便，許多儀器因而得不到及時(shí)維修與保養(yǎng)而廢棄[1]。
智能型牛奶質(zhì)量快速檢測(cè)儀，就是一種能解決這一難題的簡(jiǎn)易實(shí)用的儀器。它采用現(xiàn)代最新的超聲檢測(cè)技術(shù), 對(duì)檢測(cè)牛奶樣品進(jìn)行無(wú)損在線檢測(cè)。檢測(cè)儀基于先進(jìn)的32位Samsung S3C44B0X(集成ARM7TIMI內(nèi)核)微處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCLinux研制而成。在時(shí)間精確測(cè)量上，采用了復(fù)合鎖相環(huán)測(cè)時(shí)技術(shù)，提高了測(cè)量的精度和穩(wěn)定度，所以整個(gè)檢測(cè)儀集高技術(shù)、高精度和低成本于一體，具有很高的實(shí)用性。
1 檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)組成
整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)是以S3C44B0X微處理器為核心，鍵盤為控制信號(hào)輸入設(shè)備，LCD和微型打印機(jī)為輸出設(shè)備，將檢測(cè)到的牛奶數(shù)據(jù)和信息以圖形和相關(guān)數(shù)據(jù)的形式顯示和打印出來(lái)。檢測(cè)超聲波信號(hào)受電壓信號(hào)激發(fā)，經(jīng)過(guò)超聲發(fā)射換能器將電壓以超聲波的形式輻射出去，在牛奶液媒質(zhì)中傳播。接收換能器將接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波、整形后成為可以被檢測(cè)到的電信號(hào)[2]。由于牛奶檢測(cè)的溫度對(duì)超聲波在奶液中的傳播速度有影響，應(yīng)保持牛奶液在樣品管中被檢測(cè)時(shí)是恒定在某個(gè)溫度，因此檢測(cè)儀配有獨(dú)特設(shè)計(jì)的恒溫電路和溫度傳感器電路。由于超聲在液體媒介中傳播一般為900m/s~1900m/s，而且樣品管的長(zhǎng)度有限，所以超聲在樣品管中的時(shí)間很短，而牛奶中某些物質(zhì)與傳播時(shí)間的精確性有很緊密的函數(shù)關(guān)系[3]，檢測(cè)儀采用鎖相環(huán)測(cè)時(shí)技術(shù)可以解決這個(gè)難題，將時(shí)間精確到10-7s以內(nèi)。因?yàn)榫哂蠸oC(片上系統(tǒng))功能的微處理器芯片S3C44BOX集成了豐富的外圍功能模塊，減少了許多外圍器件，整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路十分緊湊而且功耗較低。如圖1所示。
2 Samsung S3C44BOX簡(jiǎn)介
ARM7TDMI是ARM(Advanced RISC Machine)公司最早為業(yè)界普遍認(rèn)可且得到廣泛應(yīng)用的處理器，隨著ARM技術(shù)的發(fā)展，它已是目前最低端的ARM核。ARM7TDMI是從最早實(shí)現(xiàn)了32位地址空間編程模式的ARM6核發(fā)展而來(lái)的，可在低于5V的電源電壓下可靠穩(wěn)定地工作，增加了64位乘法指令、支持片上調(diào)試、Thumb指令集和EmbededICE片上斷電和觀察點(diǎn)。
Samsung S3C44BOX微處理器片內(nèi)采用0.25μm CMOS工藝制造，其主要的功能在ARM7TDMI的基礎(chǔ)上增加了8KB的Cache； 在外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器控制器；LCD控制器，且?guī)в幸粋€(gè)LCD專用DMA通道；看門狗定時(shí)器；71個(gè)通用可編程I/O口，8個(gè)外部中斷源；功能控制模式：正常、低功耗、休眠和停止；8路10位ADC。并采用一種新的三星ARM CPU嵌入總線結(jié)構(gòu)SAMBA2,最高頻率可達(dá)66MHz。
3 超聲發(fā)射與接收電路" title="接收電路">接收電路
3.1 超聲檢測(cè)原理
超聲檢測(cè)技術(shù)就是發(fā)射-接收技術(shù)，利用超聲波在媒質(zhì)中傳播特性(聲速、聲衰減、聲阻抗等)來(lái)獲取媒質(zhì)中的一些非聲學(xué)特性信息(如濃度、密度、硬度、彈性、溫度等)。超聲波分析依靠超聲波特性與媒質(zhì)組成之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系得以實(shí)現(xiàn)，這些關(guān)系的形成就需要測(cè)量穿過(guò)一系列已知組成成份樣品的超聲波特性，找到適合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)公式及超聲波穿過(guò)牛奶液時(shí)的理論公式。在研究中，結(jié)合理論和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波速度和組成成份的公式關(guān)系。
穿過(guò)特定組織成份的超聲波的速度跟組織成份的物理特性有關(guān)，可以用如下等式表述：
式中：c——超聲波速度；ρ——液體密度；κ——液體的絕熱壓縮率" title="壓縮率">壓縮率。
等式(1)適用于可以近似被認(rèn)為液體的材料，也即是衰減系數(shù)遠(yuǎn)小于體積系數(shù)(ω/C)，此公式適用于牛奶成份的測(cè)定。
多相物質(zhì)測(cè)定最簡(jiǎn)單的方式為Wood所提出，而Urick用一個(gè)方程詳細(xì)闡述的，并以他的名字命名這個(gè)方程。這個(gè)方程重申了伍德方程，其相關(guān)性如下式：
Φi為混合物第i個(gè)組分的容積率。此方程被稱作均一的描述方程，因?yàn)槊恳幌嗟男再|(zhì)都是獨(dú)立于系統(tǒng)體系性質(zhì)。
對(duì)于牛奶液，就必須考慮其他成份對(duì)超聲波速度的影響，為了進(jìn)一步近似正確結(jié)果，超聲波在復(fù)合成份中的特性可用下式表述：
式中ρj，κj，Φj分別為組分各自的密度、絕熱壓縮率、成分j的質(zhì)量百分含量，混合物的絕熱壓縮率可以由密度和超聲波速度來(lái)表達(dá)(見等式1)。在假設(shè)變化成份的密度大約近似的情況下，等式(3)可以簡(jiǎn)化為：
等式(4)為一個(gè)簡(jiǎn)化的方程，描述了材料超聲波特性與成份間的關(guān)系，等式(4)也比較容易實(shí)現(xiàn)，其只需要超聲波定位成份的速度即可。
3.2 超聲波發(fā)射與接收電路
檢測(cè)儀采用的是單脈沖法，將多諧振蕩器產(chǎn)生的單脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)緩沖器和兩個(gè)功率三極管組成的達(dá)林頓復(fù)合管，可以增大其電流驅(qū)動(dòng)能力。經(jīng)過(guò)脈沖升壓器升壓，將單脈沖電壓幅值升壓到120V，并使功率放大器的輸出阻抗與超聲換能器的負(fù)載阻抗匹配。最后發(fā)射超聲換能器獲得能量后以聲能的形式將超聲波輻射出去。
盡管發(fā)射部分的脈沖電壓比較高，但是超聲波經(jīng)過(guò)在牛奶液中傳播后，在接收端轉(zhuǎn)換成的電壓只有大約1V的左右，要對(duì)這樣微弱的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，使其達(dá)到能夠被檢測(cè)到的幅值，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行必要的信號(hào)處理。通常接收電路由前置放大、帶通濾波、門限檢測(cè)電路組成。電路如圖2所示。
4 測(cè)時(shí)原理
超聲波聲速的測(cè)量精度關(guān)系到能否獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)細(xì)微的變化。因此高精度測(cè)量聲波傳播時(shí)間，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是檢測(cè)儀檢測(cè)精度的關(guān)鍵。按照聲學(xué)原理，聲波沿x方向傳播平面方程是：
在x方向上任意兩點(diǎn)之間的振動(dòng)相位與兩點(diǎn)間的距離有關(guān)。設(shè)兩點(diǎn)距離為s，聲傳播速度為vs，則相位差為：
如果在系統(tǒng)中，能自動(dòng)改變頻率以達(dá)到跟蹤超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲τ的輸入輸出相位差，并鎖定在n(2π)，則由下式可得到τ，
式中n為正整數(shù)，表示在τ時(shí)間內(nèi)通過(guò)n個(gè)整數(shù)的周期。精確測(cè)量f和n后，τ就能準(zhǔn)確表示出來(lái)了[2]。這里以TI公司的TCL2932(PLL集成電路)為核心加上精密乘法器MPY634、積分器ADE7753和高速計(jì)數(shù)器和加法器來(lái)構(gòu)成測(cè)時(shí)系統(tǒng)，測(cè)時(shí)精度可以達(dá)到10-7量級(jí)。具體時(shí)間測(cè)量示意圖如圖3所示。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
嵌入式系統(tǒng)的硬件架構(gòu)能穩(wěn)定可靠地工作，現(xiàn)在的問(wèn)題在于軟件成為嵌入式發(fā)展的瓶頸，尤其是操作系統(tǒng)的“嵌入式化”。雖然上世紀(jì)80年代開始推出了一些專用商業(yè)操作系統(tǒng)，但其價(jià)格高昂，很難適合于大量的低端產(chǎn)品的開發(fā)，尤其是對(duì)價(jià)格比較敏感的嵌入式領(lǐng)域；而且源代碼" title="源代碼">源代碼的封閉性也阻礙了嵌入式開發(fā)者的創(chuàng)造力和積極性，所以源代碼開放的嵌入式Linux操作系統(tǒng)一開始就具有得天獨(dú)厚的優(yōu)越性，擁有廣泛的應(yīng)用前景。快速牛奶質(zhì)量檢測(cè)儀就采用了嵌入式Linux，實(shí)際運(yùn)行也十分穩(wěn)定。
μCLinux的移植需要定制內(nèi)核、定制用戶程序、編譯μCLinux(把應(yīng)用程序和Linux內(nèi)核一起編譯)、燒寫映象文件及運(yùn)行。由于整個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜，涉及到匯編程序、C語(yǔ)言程序、驅(qū)動(dòng)程序、程序調(diào)試等等。本文只針對(duì)自己編寫的檢測(cè)儀工作過(guò)程用到的應(yīng)用程序進(jìn)行說(shuō)明，運(yùn)用掃描法對(duì)外部按鍵進(jìn)行檢測(cè)和顯示。在vi編輯器里進(jìn)行編程的部分源代碼如下，可以簡(jiǎn)單看到整個(gè)儀器的工作流程。
?。nclude
# include
void Lcd_Init(void)；//開機(jī)界面和等待檢測(cè)開始界面
void Jiance(void)；//檢測(cè)牛奶程序
void Qinxi(void)；//清洗樣品池
void Print(void)；//由微型打印機(jī)打印出數(shù)據(jù)
void Disdata(void)；//顯示檢測(cè)結(jié)果
void Init_keyboard；//鍵盤初始化
void Delaytime(int n)；//延時(shí)函數(shù)
main()
{
int key_read( )；
Lcd_Init(void)；
Init_keyboard(void)；
Delaytime(100)；
Key_read( )
{
int value；
char temp；
temp=*(keyboard_base+0xFD)；
if((temp&KEY_VALUE_MASK)!=KEY_VALUE_MASK)//判斷是否有按鍵按下
{
if((temp&0x1)= =0)
value=1；
Jiance( )；
Delaytime(1000)；
else if(((temp&0x2)= =0)&&(value=1))
Disdata( )；
else if(((temp&0x4)= =0)&&(valve=1))
Print( )；
else if(((temp&0x8)= =0)&&(valve=1))
Qinxi( )；
Return 0；
}
經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明，采用基于ARM S3C44BOX和μCLinux的牛奶質(zhì)量快速檢測(cè)儀，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔運(yùn)行平穩(wěn)，測(cè)定精度高，滿足實(shí)際測(cè)定牛奶成份參數(shù)要求。需要提出的是應(yīng)該將模擬電路部分和數(shù)字電路部分隔離成兩個(gè)部分，進(jìn)行必要的抗干擾處理，包括電路板上的布線設(shè)計(jì)，這樣可以防止微弱的超聲壓電信號(hào)被無(wú)用信號(hào)干擾，保證測(cè)定的精確度和儀器的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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