基于ARM μCLinux的超聲波牛奶成份檢測儀的設(shè)計

1、    基于ARM+CLinux的超聲波牛奶成份檢測儀的設(shè)計        王明偉1，董文賓2，湯 偉1， 時間: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，需要一種能快速檢測牛奶品質(zhì)的簡便儀器，為人們的健康安全把關(guān)。國外乳品檢測儀器都可較快的測量乳品的脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖等多種成份，自動化程度很高。但是也存在許多缺點：體積較大，儀器的操作和保養(yǎng)維護比較復(fù)雜，時間穩(wěn)定性不高，經(jīng)過一段時間就需要用新標準樣品標定曲線，最主要的是此類儀器成本較高，售價高昂(百萬元人民幣以上)，不利于在中國普及。目前國內(nèi)擁有該儀器的公司并不很多，而且由于國外的售后服務(wù)不便，許多儀器因而得不到及時維修與保養(yǎng)而廢棄1。智能型牛奶質(zhì)量快速檢測儀，就是一種能解決這一難題的簡易實用的儀器。它采用現(xiàn)代最新的超聲檢測技術(shù), 對檢測牛奶樣品進行無損在線檢測。檢測儀基

3、于先進的32位Samsung S3C44B0X(集成ARM7TIMI內(nèi)核)微處理器和實時操作系統(tǒng)CLinux研制而成。在時間精確測量上，采用了復(fù)合鎖相環(huán)測時技術(shù)，提高了測量的精度和穩(wěn)定度，所以整個檢測儀集高技術(shù)、高精度和低成本于一體，具有很高的實用性。1 檢測儀硬件系統(tǒng)組成整個檢測系統(tǒng)是以S3C44B0X微處理器為核心，鍵盤為控制信號輸入設(shè)備，LCD和微型打印機為輸出設(shè)備，將檢測到的牛奶數(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。檢測超聲波信號受電壓信號激發(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轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，經(jīng)過放大、濾波

4、、整形后成為可以被檢測到的電信號2。由于牛奶檢測的溫度對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時是恒定在某個溫度，因此檢測儀配有獨特設(shè)計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，而且樣品管的長度有限，所以超聲在樣品管中的時間很短，而牛奶中某些物質(zhì)與傳播時間的精確性有很緊密的函數(shù)關(guān)系3，檢測儀采用鎖相環(huán)測時技術(shù)可以解決這個難題，將時間精確到10-7s以內(nèi)。因為具有SoC(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簡介ARM7TDMI是ARM(Advanced RISC Machine)公司最早為業(yè)界普遍認可且得到廣泛應(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。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； 在外部擴充存儲器控制器；LCD控制器，且?guī)в幸粋€LCD專用DM

6、A通道；看門狗定時器；71個通用可編程I/O口，8個外部中斷源；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66MHz。3.1 超聲檢測原理超聲檢測技術(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)系得以實現(xiàn)，這些關(guān)系的形成就需要測量穿過一系列已知組成成份樣品的超聲波特性，找到適合實驗結(jié)果的經(jīng)驗公式及超聲波穿過牛奶液時的理論公式。在研究中，結(jié)合理論和經(jīng)驗公式來實現(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個組分的容積率。此方程被稱作均一的描述方程，因為每一相的性質(zhì)都是獨立于系統(tǒng)體系性質(zhì)。對于牛奶液，就必須考慮其他成份對超聲波速度的影響，為了進一步近似正確結(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(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)可以簡化為：等式(4)為一個簡化的方程，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 測時原理超聲波聲速的測量精度關(guān)系到能否獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)細微的變化。因此高精度測量聲波傳播時間，并進行數(shù)據(jù)處理是檢測儀檢測精度的關(guān)鍵。按照聲學(xué)原理，聲波沿x方向傳播平面方程是：在x方向上任意兩點之間的振動相位與兩點間的距離有關(guān)。設(shè)兩點距離為s，聲傳播速度為vs，則相位差為：如果在系統(tǒng)中，能自動改變頻率以達到跟蹤超聲信號經(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)，表示在時間內(nèi)通過n個整數(shù)的周期。精確測量f和n后，就能準確表示出來了2。這里以TI公司的TCL