基于ARM μCLinux的超聲波牛奶成份檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

1、    基于ARM+CLinux的超聲波牛奶成份檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)        王明偉1，董文賓2，湯 偉1， 時(shí)間:2008年05月06日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘要：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

2、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)行無損在線檢測(cè)。檢測(cè)儀基

3、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)CLinux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。檢測(cè)超聲波信號(hào)受電壓信號(hào)激發(fā)，經(jīng)過超聲發(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)過放大、濾波

4、、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/s1900m/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

5、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0.25m 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DM

6、A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。3.1 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)公式來實(shí)現(xiàn)超聲波速

7、度和組成成份的公式關(guān)系。穿過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：i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j，j，j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)過延遲的輸入輸出相位差，并鎖定在n(2)，則由下式可得到，式中n為正整數(shù)，表示在時(shí)間內(nèi)通過n個(gè)整數(shù)的周期。精確測(cè)量f和n后，就能準(zhǔn)確表示出來了2。這里以TI公司的TCL