基于SOPC的地沟油检测系统大学生电子设计竞赛.doc

1 湖北大学生电子设计竞赛湖北大学生电子设计竞赛 ALTERA 杯杯 SOPC 专题竞赛专题竞赛 设计报告设计报告 题题 目 基于目 基于 SOPC 的地沟油检测系统的地沟油检测系统 学学 校 湖北民族学院校 湖北民族学院 2012 年年 10 月月 19 日日 2 SOPC 大赛设计原创性说明大赛设计原创性说明 本小组郑重声明 所提交的设计报告 是本小组成员在指导老师指导下 独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已注明引用的内容外 本设计报告不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本设计报告研究作出 过重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本小组完全意识到本声明的法律后果由本小组承担 设计报告作者签名 2012 年 10 月 10 日 3 目目 录录 第一章第一章 研究背景及基本检测原理研究背景及基本检测原理 6 1 1 研究背景研究背景 6 1 2 现行的地沟油检测方法现行的地沟油检测方法 6 1 2 1 重金属检测法重金属检测法 6 1 2 2 脂肪酸组成检测法脂肪酸组成检测法 7 1 2 3 胆固醇含量检测法胆固醇含量检测法 7 1 2 4 薄层色谱法薄层色谱法 7 1 2 5 荧光测试法荧光测试法 7 1 2 6 电导率检测法电导率检测法 8 1 3 基本检测原理基本检测原理 8 1 3 1 食用油与地沟油的电导率食用油与地沟油的电导率 8 第二章第二章 系统设计方案及整体架构系统设计方案及整体架构 10 2 1 电导率检测方案电导率检测方案 10 2 1 1 相关检测技术相关检测技术 10 2 1 2 锁定放大器锁定放大器 11 2 1 3 电导率信号转换方案电导率信号转换方案 13 2 2 信号源设计方案信号源设计方案 14 2 3 中央处理部分设计方案中央处理部分设计方案 14 2 4 显示及输入设计方案显示及输入设计方案 15 2 4 1 电阻式触摸屏电阻式触摸屏 15 2 4 2 电容式触摸屏电容式触摸屏 15 2 5 系统总体设计方案系统总体设计方案 16 2 5 1 系统整体设计方案框图系统整体设计方案框图 16 2 5 2 系统工作流程系统工作流程 16 2 5 3 系统功能与指标系统功能与指标 17 第三章第三章 地沟油检地沟油检测测系统的总体硬件架构系统的总体硬件架构 18 3 1 系统硬件组成框图系统硬件组成框图 18 3 2 系统硬件结构系统硬件结构 19 3 2 1 检测电极部分检测电极部分 19 3 2 2 信号源部分信号源部分 20 3 2 3 正交矢量型锁定放大器正交矢量型锁定放大器 21 3 2 4 CPU 及外设接口及外设接口 23 3 3 系统占用资源情况系统占用资源情况 24 第四章第四章 地沟油检测系统的软件架构及实现地沟油检测系统的软件架构及实现 25 4 1 系统软件流程图系统软件流程图 25 4 2 软件各部分分析软件各部分分析 25 4 2 1 电导率值计算电导率值计算 25 4 2 2 判断地沟油判断地沟油 26 4 2 3 显示报警显示报警 26 第五章第五章 系统测试方案及结果系统测试方案及结果 27 5 1 电导率传感器检测校准方案电导率传感器检测校准方案 27 5 2 油脂萃取液水相电导率油脂萃取液水相电导率的的测试测试 28 第六章系统改进方案及其工作的总结 展望第六章系统改进方案及其工作的总结 展望 33 4 6 1 检测电极的非接触式化检测电极的非接触式化 33 6 2 多传感器多参数检测多传感器多参数检测 33 6 3 应用功能扩展应用功能扩展 33 6 4 工作总结工作总结 34 参考文献参考文献 35 附录 附录 36 5 摘要 摘要 设计了一种基于 SOPC 的地沟油检测系统 该系统以 DE2 开发平台为集成 环境搭建以 Nios II CPU 为核心的数字信号处理系统 外加电极检测模块构成 的电导率传感器 通过检测油脂的萃取液水相电导率 判断其是否大于 10 0 S cm 如果其大于 10 0 S cm 则被测液为地沟油 否则为非地沟油 本 系统以正交矢量锁定放大器为检测信号的核心 以数字化的系统检测微弱信号 通过检测电导率实现地沟油的快速定性检测 并通过触控屏输出检测结果 借 助于 Altera 公司的 Cyclone II 2C35 型 FPGA 芯片丰富的片上资源 将本系统 的信号处理部分完全数字化 使系统微型化 集成化 便于检测人员操作与携 带 本系统可利用微弱信号检测部分进行功能扩展 提高本系统的应用范围 经过实验检测 本系统可在室温环境下对地沟油进行快速准确的判定 达到了 预期的功能 且性能稳定 Abstract A waste oil detection system is designed based on SOPC technology The system is a digital signal processing system with a conductivity sensor made of The external electrode module that centers on Nios II CPU and it is built on DE2 development platform The system detects waste oil by detecting water phase conductivity of grease extraction liquid If the water phase conductivity is larger than 10 0 S cm so the grease is waste oil or it not This system to orthogonal vector lock in amplifier is the core of the signal detection using the digital system detect weak signal It realizes the rapid qualitative detection for waste oil by detecting the conductivity and outputing test results on touch screen The digital of This system signal processing part owes to the Cyclone II 2C35 FPGA chip from Altera company Miniaturization and integration of this system makes it easy for user using and carrying This system can be extended on function by the Part of weak signal detection that can improve the application of this system Through experimental detection this system can detect waste oil quickly and accurately in Room temperature environment it achieved the desired function and it is Stable performance 第一章第一章 研究背景及基本检测原理研究背景及基本检测原理 1 1 研究背景研究背景 近几年我国的食品安全问题愈来愈突出 从苏丹红到三聚氰胺再到地沟油 食品安全问题愈演愈烈 特别是地沟油问题 近来影响十分严重 为全民所关 注 地沟油 泛指在生活中存在的各类劣质油 如回收的食用油 反复使用的炸 油等 地沟油可分为三类 一 是狭义的地沟油 即将下水道中的油腻漂浮物 或者将宾馆 酒楼的剩饭 剩菜 通称泔水 经过简单加工 提炼出的油 二 是劣质猪肉 猪内脏 猪皮加工以及提炼后产出的油 三 是用于油炸食品的 油使用次数超过一定次数后 再被重复使用或往其中添加一些新油后重新使用 的油 地沟油 是质量极差 极不卫生 过氧化值 酸价 水分严重超标的非食 用油 它含有毒素 流向江河会造成水体营养化 一旦食用 则会破坏白血球 和消化道黏膜 引起食物中毒 甚至致癌 过菜油 之一的炸货油在高温状态 下长期反复使用 与空气中的氧接触 发生水解 氧化 聚合等复杂反应 致 使油黏度增加 色泽加深 过氧化值升高 并产生一些挥发物及醛 酮 内酯 等有刺激性气味的物质 这些物质具有致癌作用 泔水油 中的主要危害物 黄曲霉素的毒性则是砒霜的 100 倍 所以 地沟油 是严禁用于食用油领域 的 地沟油的化学成分 1 二甲胺 C2H7N D 甘油酯 C3H6O4 乙苯 C8H10 对二甲苯 C8H10 间二甲苯 C8H10 甲基乙苯 C9H12 二甲 基十一烷 C13H28 以及大量的 Fe Pb Cr Zn Mn 元素 其中 Pb Cr 含量 明显超出有关卫生标准 1 2 现行的地沟油检测方法现行的地沟油检测方法 由于地沟油所呈现的特殊的理化性 国内为已有多种检测方法 根据所查资 料 2 了解有以下方法 1 2 1 重金属检测法重金属检测法 重金属含量超标是地沟油主要特征之一 在地沟油回收及加工过程中因受到 污染 或接触金属器皿后引入重金属 因此 重金属有可能成为地沟油特征化 学成分 王乐 3 等对经脱色处理地沟油样品与市售菜籽油 花生油 花生调和 油中 15 种重金属元素进行测定 元素 Fe Pb Cr Zn Mn 在地沟油中含量 7 很高 其中 Pb Cr 含量明显超出粮油类食品限量卫生标准 郭岚 4 等发现散 装精炼菜籽油较散装菜籽油中金属元素含量明显降低 说明经精炼后可能会将 这些金属元素较好除去 因此该法对检测添加经一定处理 如碱炼和添加还原 剂降低酸价 过氧化值及脱色处理 地沟油的食用油非常合适 1 2 2 脂肪酸组成检测法脂肪酸组成检测法 地沟油常由多种油脂混合而成 成分复杂 具有多种油脂脂肪酸图谱特征 而单一食用油脂都具特定特征图谱 所以通过对脂肪酸组成进行分析 也可作 为鉴别地沟油指标之一 许斌 5 等采用 GC 法对广州市不同食品量化分级餐饮 单位烹调用油进行分析 结果显示 92 6 以上单位绝大部分油品都含有棕榈 油 动物油或混合油种类 全常春 6 等应用 GC MS 对精炼后地沟油进行检测 发现大量 C9 C14 烷烃 说明该地沟油已被矿物油污染或不法分子掺兑 并检 测到油脂氧化变质二级物质 己醛 王乐 7 利用核磁共振对餐饮废油中地沟油 泔水油及三种食用油在 10 和 0 下测定固体脂肪指数 SFC 值 结果表明 地沟油和泔水油 SFC 值远大于食用油 1 2 3 胆固醇含量检测法胆固醇含量检测法 地沟油通常为多种动 植物油脂混合物 含有大量动物油脂 动物油脂普遍 含有相对较高胆固醇 而植物油一般不含或含有极少胆固醇 因此可通过检测 胆固醇含量判定植物油是否含有动物油脂 张蕊 8 等采用 GC 法利用色谱柱对 样品中胆固醇和植物甾醇进行分离 从而鉴别样品是否混有地沟油 结果表明 该法检出限为掺有 10 以上地沟油食用植物油样品 郭涛 9 等利用 HPLC 对地 沟油胆固醇进行测定 继而分析食用油是否掺有地沟油 发现菜籽油样品胆固 醇含量大于 50 mg kg 时 有明显色谱峰 1 2 4 薄层色谱法薄层色谱法 地沟油经高温加热或反复使用后会产生一些极性物质 如丙稀酰胺 多环芳 烃 醛基等 虽经精炼也不易除去 而在合格食用植物油中几乎没有 油样在 展开剂作用下各种成分在硅胶板上扩散分离 经显色剂显色后可在板上观察到 不同斑点 尹平河 10 等采用乙酸乙酯与石油醚为展开剂 碘液为显色剂 对食 用油 地沟油 煎炸老油进行分析发现 它们在 Rf 0 73 处有共同斑点 地沟 油在 Rf 0 4 后有明显拖尾长斑 煎炸老油在 Rf 0 21 处有明显拖尾长斑 黄军 11 等利用色谱柱分离拖尾成分进行红外分析 发现潲水油极性化合物远大 于食用植物油 是正常食用油所不含醛 酮类化合物 据凤凰网报道 日前 上海一家公司应用此法推出一种 10 分钟便可检测地沟油试纸 当油品有明显极 性组分拖尾现象时 即可判别是否为劣质油 8 1 2 5 荧光测试法荧光测试法 考虑到地沟油外源性污染物质特性 针对餐具洗涤剂表面活性剂十二烷基苯 磺酸钠混在地沟油中 而食用油不含这种人工合成化学物质 刘薇 12 等发现 十二烷基苯磺酸钠在地沟油水相中特征荧光波峰为 而食 nm emex 290 230 用油则不存在 可根据油脂荧光位置和强度进行鉴别是否掺入地沟油 但只能 用于潲水油含量 10 以上样品 1 2 6 电导率检测法电导率检测法 油脂属非导电物质 电导率极低 且钠盐难溶于油脂 在正常食用油中含量 很少 地沟油中残渣微粒 含有一定量盐 还有酸败产生化合物也会使电导率 提高 电导率法操作简单 对仪器与设备要求低 是一种快速检测地沟油方法 刘志金 13 等发现泔水油电导率是普通食用油 5 7 倍 且在低温时 有析出物 使油脂不澄清透明 胡小泓 14 等通过研究发现 食用油受到污染程度越严重 电导率就越大 两者呈良好线性关系 但只能用于潲水油含量 20 以上样品 1 3 基本检测原理基本检测原理 重金属检测法 脂肪酸成分检测法 胆固醇含量检测法属于化学生物学检测 法 需要通过特殊的化学试剂进行测定 其测定过程繁琐且复杂 耗费时间长 并且需要检测人员具有一定的生物学和化学基础 不适合一般人员操作 薄层 色谱法属于物理检测方法 同样操作复杂 耗费时间长 需专业人员操作 荧 光测试法属于物理检测法 可用集成的电子设备终端检测 但检测时需对待测 液进行试剂调制 却检测环境要求高 不适于快速检测和一般环境下的检测 电导率检测法 只需通过电子设备终端进行测定待测液的电导率 操作简单 检测时间短 易于开发成集成的检测终端 方便普通人员检测地沟油 所以本 设计采用电导率检测法鉴别地沟油 1 3 1 食用油与地沟油的电导率食用油与地沟油的电导率 根据实验测得地沟油与一般食用油的水溶液的电导率见表 1 3 1 15 由表 1 3 1 可知地沟油与合格食用油经水萃取后的水相电导率有很大区别 合格食 用油的水萃取液的水相电导率值都在 10 S cm 以下 而地沟油的水萃取液的水 相电导率值都在 33 5 S cm 以上 远大于合格食用油的水萃取液的水下水相电 导率 又据王飞艳等 16 研究得出 毛地沟油萃取水相电导率为 30 15 130 80 S cm 处理后地沟油萃取水相电导率为 22 37 44 61 S cm 食用油 9 萃取水相电导率为 3 18 9 18 S cm 测定油脂的萃取水相电导率值大于 10 S cm 课初步断定其参伪 通过对待测油脂的萃取水相电导率进行测量就可 初步判断出其是否为地沟油 表 1 3 1 油样水萃取液的电导值 S cm 温度 油样 242628 地沟油 36 2935 1833 5 鲁花花生油 9 018 938 46 胡姬花花花生油 5 466 005 21 福康星大豆油 3 723 613 62 油烟机烟气油 66 6971 0865 3 10 第二章第二章 系统设计方案及整体架构系统设计方案及整体架构 2 1 电导率检测方案电导率检测方案 依据油脂的萃取水相电导率的大小 可以检测出地沟油 因此 对地沟油的 测定最终转变为对油脂的萃取水相电导率的测定 由于油脂的萃取水相电导率 所引起的电信号十分微弱 所以本设计涉及到微弱信号的检测问题 2 1 1 相关检测技术相关检测技术 对微弱信号的检测常采用相关检测技术 相关检测技术是应用信号周期性和 噪声随机性的特点 通过自相关或互相关运算 达到去除噪声检测出有用信号 的一种技术 由于检测过程中 信号和噪声是相互独立的过程 根据相关函数与自相关函 数可知信号只与信号本身相关 而与噪声不相关 随机噪声之间不相关 由相 关资料 17 得到 a a 自相关检测自相关检测 自相关函数 其中 X t 为随机过程 E X t 为期望 tXsXEtsR Y t 为另一随机过程 乘法器 延时器 Xi t Si t Ni t Rxn 图 2 1 1a 自相关检测原理框图 由图 2 1 2a 输出 根据互相关 1 lim 2 2 nnnssnssi T T i T XX RRRRdttxtx T R 的性质 由于信号 S t 与噪声信号 N t 不相关 并且噪声的平均值为零 得到 则 Rxx 随的增大 0 sn R0 ns R nnss RR 则对充分大的 可得 就得到了信号 S t 的自相关函 0 nn R ssxx RR 11 数 它包含了 S t 所携带的某些信息 ss R b b 互相关检测互相关检测 互相关函数 其中 X t 为随机过程 E X t 为期望 tYsXEtsR Y t 为另一随机过程 乘法器积分器 延时器 X t Y t tRxy 图 2 1 1b 互相关检测原理框图 图 2 1 1b 是实现互相关检测的原理框图 设输入 x t 为 其中为待测信号 为信号中混入的噪声 为已 tntstx ts tn ts ty 知参考信号 则互相关输出为 xy R 如果参考信号与信号有着 2 1 lim nysy T T T xy RRdttytx T R ty ts 某种相关性 而已知与噪声没有相关性 且噪声信号的平均值为零 则 ty ts 中包含了信号所携带的信息 这样就把待测信号 syxy RR sy R ts 检测出来了 ts 2 1 2 锁定放大器锁定放大器 为了检测出电导率信号 本系统设计了一种检测微弱信号的方案 即正交矢 量型锁定放大器 正交矢量型锁定放大器检测原理为互相关检测原理 其实质就是用相敏检波 来实现信号频谱迁移 用低通滤波器来抑制噪声并滤去高频分量 正交矢量型 锁定放大器原理图如图 2 1 2 1 所示 12 信号通道 0 参考信号通道 相敏检波1 90 参考信号通道 相敏检波2低通滤波器2 低通滤波器1 运 算 单 元 I Q A 待测信号 x t 1 Z t 2 Zt 图 2 1 2 1 正交矢量型锁定放大器原理图 图 2 1 2 2 为正交矢量型锁定放大器的运算流程图 设待测信号为是伴有噪 声的正弦信号 即 其中为随机噪声 为有用正弦信号 x t x ts tn t n t s t 即 1 sin 2 s s tAf t I Q 平平方方 平平方方 求求和和 2 I 2 Q 开开方方运运算算 22 I Q 22 IQ 图 2 1 2 2 运算单元结构图 0 参考信号为 sin2 sin 2 r rtBf t 90 参考信号为 cos2 cos 2 r rtBf t 其中 分别为待测信号及参考信号幅值 分别为待测信号及参考 AB s f r f 信号频率 分别为待测信号及参考信号初始相位 1 2 待测信号通过相敏检波 1 相敏检波 2 有 x t 1sin 12 21212 sin 2 sin 2 sin 2 cos 2 cos 2 22 sr rsrsr Z tx trt Af tn tBf t ABAB n tBf tff tff t 2cos 12 21212 sin 2 cos 2 cos 2 sin 2 sin 2 22 sr rsrsr Z tx trt Af tn tBf t ABAB n tBf tff tff t 设低通滤波器 1 低通滤波器 2 截止频率均为 当 且其带宽 cut f cutsr fff 尽量窄时 可以认为在通过低通滤波器后的信号中噪声信号忽略不计 当时 则有 cutsr fff 0IQ 13 当时 则有 srcutsr fffff 12 cos 2 2 sr AB Iff t 12 sin 2 2 sr AB Qfft 当时 则有 sr ff 12 cos 2 AB I 12 sin 2 AB Q 由上述分析可知 当时 输出为直流信号 且与只与参考信号与 sr ff I Q 待测信号幅度 相位有关 当时 输出信号为交流信号 sr ff 对于待测信号的 可利用时 与求得 即 A sr ff I Q 22 2 AIQ B 2 1 3 电导率信号转换方案电导率信号转换方案 本系统采用电极激励方案将电导率转换成电信号 将一定宽度的单电极浸没 在待测的油脂萃取液中 对其中一片极板施加一定频率和幅度的正弦信号 通 过待测油脂萃取液后所施加的正弦信号会发生衰减 通过测定衰减系数便可得 到电导率 具体转换过程如下 Y信号源 S 内阻 r 待测液 R 传感检 测单元 图 2 1 3 1 信号转换示意图 如图 2 1 3 1 所示 设信号源输出的信号幅值为 A 内阻 r 已知 待测液的 14 阻抗为 R Y 为传感检测单元检测的输出幅值 则 r 与 R 为串联 可得 即 再经过进一步处理 依据电极的宽度 L 便可得到待 A Y rR R rY YA R 1 测液的电导率 然后将电导率信号经过正交矢量型锁定放大器 检 LR g 1 测出输出正弦信号的幅值 便得到待测液的电导率 2 2 信号源设计方案信号源设计方案 检测电导率需施加正弦信号 所以本系统需要一个可调的正弦信号发生器 本系统是以 DE2 开发板为开发平台 基于 FPGA 强大的数字电路设计功能 本系 统采用 Altera 公司提供 NCO 数控震荡器 核设计可控信号源部分 产生一路 电极输入激励信号和两路正交同频率的正弦信号 具体设计见第三章 2 3 中央处理部分设计方案中央处理部分设计方案 本系统是基于 SOPC 技术搭建的检测系统 因此采用 NiosII 软核 CPU 作为中 央处理器 搭建中央控制处理部分 NiosII 软核 CPU 是 Altera 正式推出了 Nios II 系列 32 位 RSIC 嵌入式处理 器 Nios II 系列软核处理器是 Altera 的第二代 FPGA 嵌入式处理器 其性能 超过 200DMIPS Altera 的 Stratix Stratix GX Stratix II 和 Cyclone 系列 FPGA 全面支持 Nios II 处理器 以后推出的 FPGA 器件也将支持 Nios II Nios II 包括 3 种类型 分别是 Nios f 快速 最高的系统性能 中等 FPGA 使用量 Nios s 标准 高性能 低 FPGA 使用量 Nios e 经济 低性能 最低的 FPGA 使用量 这 3 种产品具有 32 位处理器 的基本结构单元 32 位指令大小 32 位数据和地址路径 32 位通用寄存器 和 32 个外部中断源 使用同样的指令集架构 ISA 100 二进制代码兼容 设 计者可以根据系统需求的变化更改 CPU 选择满足性能和成本的最佳方案 而 不会影响已有的软件投入 特别是 Nios 系列支持使用专用指令 专用指 令是用户增加的硬件模块 它增加了算术逻辑单元 ALU 用户能为系统中使 用的每个 Nios 处理器创建多达 256 个专用指令 这使得设计者能够细致地 调整系统硬件以满足性能目标 专用指令逻辑和本身 Nios 指令相同 能够 从多达两个源寄存器取值 可选择将结果写回目标寄存器 同时 Nios 系列 支持 60 多个外设选项 开发者能够选择合适的外设 获得最合适的处理器 外 设和接口组合 而不必支付根本不使用的硅片功能 Nios 处理器具有完善 的软件开发套件 包括编译器 集成开发环境 IDE JTAG 调试器 实时操作 系统 RTOS 和 TCP IP 协议栈 设计者能够用 Altera Quartus 开发软件中 的 SOPC Builder 系统开发工具很容易地创建专用的处理器系统 并能够根据系 统的需求添加 Nios 处理器核的数量 将处理器实现为 HDL 的 IP 核 开发者 15 能够完全定制 CPU 和外设 获得恰好满足需求的处理器 以 Nios II 为基础的处理部分足以完成对数据处理 对信号控制的任务 具 体的搭建见第三章 2 4 显示及输入设计方案显示及输入设计方案 独立的显示和输入设备太过分散 不易于设备的集成 为了做到操作和显示 界面的友好与方便 本系统采用彩色触摸屏的方案 彩色触摸屏可以很好地将 输入与显示集成为一体 可以做到操作界面简单 直观 2 4 1 电阻式触摸屏电阻式触摸屏 这种触摸屏利用压力感应进行控制触摸屏 电阻式触摸屏分为 1 四线电阻屏 四线电阻模拟量技术的两层透明金属层工作时每层均增加 5V 恒定电压 一 个竖直方向 一个水平方向 总共需四根电缆 特点 高解析度 高速传输反 应 表面硬度处理 减少擦伤 刮伤及防化学处理 具有光面及雾面处理 一 次校正 稳定性高 永不漂移 2 五线电阻屏 五线电阻技术触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在 玻璃的导电工作面上 五线电阻触摸屏内层 ITO 需四条引线 外层只作导体仅 仅一条 触摸屏得引出线共有 5 条 特点 解析度高 高速传输反应 表面硬 度高 减少擦伤 刮伤及防化学处理 一次校正 稳定性高 永不漂移 五线 电阻触摸屏有高价位和对环境要求高的缺点 2 4 2 电容式触摸屏电容式触摸屏 1 电容技术触摸屏 是利用人体的电流感应进行工作的 电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏 玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层 ITO 最外层是一薄层矽土玻璃保护层 夹层 ITO 涂层作为工作面 四个角上引出四个电极 内层 ITO 为屏蔽层以保证良好 的工作环境 当手指触摸在金属层上时 由于人体电场 用户和触摸屏表面形 成以一个耦合电容 对于高频电流来说 电容是直接导体 于是手指从接触点 吸走一个很小的电流 这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出 并且流经 这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比 控制器通过对这四个电流比例 的精确计算 得出触摸点的位置 2 电容触摸屏的缺陷 电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏 当然还不能和表面声波屏和 五线电阻屏相比 电容屏反光严重 而且 电容技术的四层复合触摸屏对各波 长光的透光率不均匀 存在色彩失真的问题 由于光线在各层间的反射 还造 16 成图像字符的模糊 电容屏更主要的缺点是漂移 当环境温度 湿度改变时 环境电场发生改变时 都会引起电容屏的漂移 造成不准确 由于本系统不要复杂的显示与操作输入 所以本系统采用价格便宜 控制简 单的电阻式 TFT 触控屏 将显示与操控界面统一于触控屏上 2 5 系统总体设计方案系统总体设计方案 2 5 1 系统整体设计方案框图系统整体设计方案框图 检测电极锁定放大器信号放大 器 信号源发生 器 Nios II 中 央处理电 路 显示及输 入部分 图 2 5 1 系统整体设计框图 为了充分利用 FPGA 的系统资源 并进一步将本系统集成 除了检测电极电 路利用外部资源实现外 其余大部分电路包括正交矢量型锁定放大器都用数字 电路实现 并集成于 FPGA 芯片上 信号从检测电极发出后 将经过 ADC 电路转 换成数字信号 而 NCO 核产生的正弦激励信号将经过 DAC 电路转换成模拟信号 通过上述设计 以期达到本系统的全数字化 2 5 2 系统工作流程系统工作流程 由信号源发生器产生正弦激励信号输入到检测电极一端 激励信号经过待测 油脂萃取液发生衰减并从另一端输出 检测电极上提出衰减信号经过信号放大 器传输进入锁定放大器 锁定放大器的两路正交同频率参考信号由 NCO 核产生 经过锁定放大器处理可得包含衰减幅值的电信号 电信号经过 Nios II 软核 CPU 计算处理转换成电导率 而后 中央处理部分根据所得电导率判断 被检 油脂是否为地沟油 结果通过显示部分输出 操作人员可通过输入接口查看更 多检测信息 17 2 5 3 系统功能与指标系统功能与指标 本系统的功能 通过检测油脂萃取液的电导率 能初步检测出合格食用油与 地沟油 以及实现微弱信号的检测 本系统的指标 工作于常温环境 25 40 输出值稳定 第三章第三章 地沟油检测系统的总体硬件架构地沟油检测系统的总体硬件架构 本系统由友晶公司制造的 DE2 这块经典的 FPGA 开发板平台搭建 在 DE2 平 台上的 Cyclone II EP2C35F672C6 芯片内嵌入了一个 Nios II 软核 CPU 并通 18 过硬件语言编程实现 NCO 核 正交矢量型锁定放大器 带通滤波器等数字电路 以及外部检测电极与 ADC 转换电路等少量外部模拟电路构成 3 1 系统硬件组成框图系统硬件组成框图 信号采集 两路相位相差 90 的NCO 核 CyclonII FPGA NIOSII CPU I1 温度采集 核 SDRAM控 制器 FLASH ADC接口 8M SDRAM 4M Flash 温度采集模块 320240触摸 屏 320240LC D接口 DAC7621 ADS828E 激励正弦信号 响应信号 FIR BPF信号放大 乘法器FIR LPF加法器 检测电极 图 3 1 系统硬件组成框图 系统主要由五大部分组成 外部检测电极模块 信号源 CPU 及接口 锁定 放大器 触控显示部分 信号源 CPU 及接口 锁定放大器全以数字方式实现 并留下与外部电路的接口 实现数字化处理 3 2 系统硬件结构系统硬件结构 以下将逐个介绍系统硬件五大部分的具体结构 说明各个部分的具体实现方 法以及所实现的功能 19 3 2 1 检测电极部分检测电极部分 检测电极部分的电极是由两片金属片加上引出的导线再外加玻璃封装而成 电极与 ADC 芯片相联接 从而将模拟信号变换成数字信号以便输入到 FPGA 芯片 中 此处的 ADC 芯片采用 ADS828 ADS828 是一个 10 位的 CMOS 模数转换器 单电源 5V 供电 转换器提供了卓 越的性能和单端输入和可以使用差分输入 包括 10 位量化器 高带宽跟踪 维 持 精度高内部参考 它还允许用户禁用内部参考和利用外部用 这个外部参考 选项提供了优秀的增益和抵消匹配当用于多通道应用程序或应用程序在量需要 调整 ADS828 集成数字误差校正技术提供优秀的差动线性要求成像应用程序它 的低失真和高信噪比给予额外的保证金需要医疗成像 通信 视频和测试仪器 还提供了一个省电模式 因此减少功耗仅 20 mw ADS828 最高的采样频率 75 MHz 和单端输入范围的 1 5 v 3 5 v DAC7621 是一个 12 位的模数转换器 5V 单电源供电 包含输入寄存器 2 435V 的内部参考电压 高速轨对轨的输出运算放大器 快速的建立时间每 7uS 传输 1LSB 它的工作功率为 2 5mW 它采用 12 位并行输入 双缓冲器输入 逻辑结构 支持缓冲读取 此外 DAC7621 提供了一个 CS 片选引脚 CLR 清除 缓冲引脚 当清除缓冲后输出为 0V 工作温度范围 40 C 到 85 本系统通过在 SOPC 系统中搭建 ADS828E 的驱动电路与外部的 ADS828 联接 通过硬件实现数据流的控制 提高处理速度 图 3 2 1 显示的是 ADS828E 驱动 模块 图 3 2 1 ADS828 驱动模块 其 Verilog HDL 描述 module ADS828E EDA CLK 50M CS CLK ADC DATA Input DATA Output input CLK 50M CS input 9 0 DATA Input output reg 9 0 DATA Output output reg CLK ADC reg 15 0 Cntr CLK ADC to create 828e s clk to create 828e s 20 clk always posedge CLK 50M begin if Cntr CLK ADC 125 50M 200k 250 sample period 250clks 1 and 0 suspend for 125 clks if Cntr CLK ADC 50 2M de CLK gei AD Cntr CLK ADC Cntr CLK ADC 1 else Cntr CLK ADC 0 end always posedge CLK 50M begin if Cntr CLK ADC 25 CLK ADC 1 else CLK ADC 0 clock of frequency is 200k end ADC DATA IN always negedge CLK ADC begin if CS 1 DATA Output DATA Input end endmodule 3 2 2 信号源部分信号源部分 本系统的信号源是用 Altera 提供的 NCO 核组建而成 NCO 核的控制端口与 CPU 相联 输出端口与外部 DAC 相联 NCO 核 DAC7621 驱动电路 DAC7621 CPU 图 3 2 2 1 数控信号源电路框图 图 3 2 2 1 所示 数控信号源由 NCO 核 DAC7621 驱动电路 DAC7621 组成 NCO 核被设置成 16 位频率控制 正交双通道 12 位输出的数控震荡源 输出 的频率范围是 100KHz 左右 经 DAC7621 输出成模拟正弦信号 21 DAC7621 是一个 12 位的模数转换器 5V 单电源供电 包含输入寄存器 2 435V 的内部参考电压 高速轨对轨的输出运算放大器 快速的建立时间每 7uS 传输 1LSB 它的工作功率为 2 5mW 它采用 12 位并行输入 双缓冲器输入 逻辑结构 支持缓冲读取 此外 DAC7621 提供了一个 CS 片选引脚 CLR 清除 缓冲引脚 当清除缓冲后输出为 0V 工作温度范围 40 C to 85 C 该部分由两个 NCO 核组成 一个产生正弦激励信号 一个产生两路同频率的 正交正弦信号 该部分能有效地实现激励正弦信号的产生 为检测电极提供检 测信号 同时为锁定放大器提供两路同频率正交正弦参考信号 图 3 2 2 2 NCO 核原理图 3 2 3 正交矢量型锁定放大器正交矢量型锁定放大器 关于正交矢量型锁定放大器的原理请参见第二章第 2 1 2 小节 锁定放大器 的具体电路实现包括 两路相敏检波电路 两路低通滤波器 运算单元 信号通道 0 参考信号通道 相敏检波1 90 参考信号通道 相敏检波2低通滤波器2 低通滤波器1 运 算 单 元 I Q A 待测信号 x t 1 Z t 2 Zt 正交矢量型锁定放大器原理图 a a 相敏检波电路 相敏检波电路 两路相敏检波电路所起的作用是一样的 都是将待测信号与两路参考信号分 别相乘 即相敏检波电路在此处就是数字乘法电路 本系统的数字乘法器的 Verilog HDL 描述如下 module multi exp data small data big input signed 11 0 data small output signed 11 0 data big assign data big data small 11 4 data small 10 0 endmodule 生成的原理图如图 3 2 3a 所示 22 图 3 2 3a 数字乘法器原理图 b b 低通滤波器低通滤波器 两路低通滤波器的作用也是一样的 均是滤除信号的高频部分 得到直流部 分 通过利用 Altera 公司提供的滤波器 IP 核 通过相应的设置得到了截止频 率为 20KHz 的 70 阶低通滤波器 生成的低通滤波器的原理图如图 3 2 3b 所示 图 3 2 3b 低通滤波器原理图 c c 运算单元运算单元 运算单元由平方电路即乘法电路 求和电路以及开方运算 其中开方运算由 CPU 单独完成 以降低电路的复杂程度 I Q 平平方方 平平方方 求求和和 2 I 2 Q 开开方方运运算算 22 I Q 22 IQ 运算单元结构图 乘法电路与相敏检波电路一样 在此不再赘述 求和电路的功能是将两路信号相加并输出其和 求和电路的具体实现是利用 FPGA 的可编程性 用 Verilog HDL 语言实现的 Verilog HDL 描述如下 module add 24bit sum a b output signed 24 0 sum input signed 23 0 a b assign sum a b endmodule 生成的原理图如图 3 2 3c 所示 23 图 3 2 3c 加法器原理图 d d 参考信号源参考信号源 参考信号源直接由 NCO 核产生两路同频正交正弦信号提供 3 2 4 CPU 及外设接口及外设接口 本系统的 CPU 由 Nios II 软核 CPU 构成 外加外设接口电路 本系统采用 Nios II 的 Nios s 标准型 以减少 FPGA 资源的消耗 CPU 的存储器采用 SRAM 存储器 以 I O 口为外设控制接口 外设接口包括 SRAM 接口 两个 NCO 控制 接口 触控屏控制接口以及信号输入接口 最终生成的 CPU 结构如图 3 2 4 所 示 图 3 2 4 CPU 原理图 24 3 3 系统占用资源情况系统占用资源情况 图 3 3 系统占用资源情况 图 3 3 是本系统占用 DE2 平台上 FPGA 芯片资源的情况 芯片上的资源大部 分被数字滤波器所占用 总逻辑单元的占用率 95 对现有资源利用充分 由 微弱信号的检测处于强噪声背景下 所以本系统对信号的滤波处理较多 系统 的数字化充分利用了 FPGA 的资源 实现了系统的集成化 微型化 25 第四章第四章 地沟油检测系统的软件架构及实现地沟油检测系统的软件架构及实现 4 1 系统软件流程图系统软件流程图 检测并计算出电导 率 比较相关参数 LCD显示参数状态 是否判别为地 沟油 显示报警 开始 是 循环检测 循环检测 图 4 1 系统软件流程图 4 2 软件各部分分析软件各部分分析 本系统软件分为三个部分 电导率值计算部分 判断是否为地沟油部分 显 示报警部分 其中用到滤波算法 取峰值算法 4 2 1 电导率值计算电导率值计算 利用锁定放大器传送来的数值 经过开方运算 除以参考信号的幅值便可得 出被测液的电率导值 运算流图如图 4 2 1 26 开方运算 除去参考 幅值 数据输入数据输出 图 4 2 1 电导率计算流图 4 2 2 判断地沟油判断地沟油 参考地沟油区分值 10 0 S cm 判断所测电导率值是否大于 10 0 S cm 如果大于此值则被测液为地沟油 否则为非地沟油 4 2 3 显示报警显示报警 CPU 将判断结果输出到触控屏显示端 显示被测液的电导率的值 如果是地 沟油则同时报警 可通过触控屏调整相关参数 本系统的软件部分代码详见附录部分 27 第五章第五章 系统测试方案及结果系统测试方案及结果 5 1 电导率传感器检测校准方案电导率传感器检测校准方案 本系统是通过外部检测电极检测待测油脂萃取液的水相电导率 通过对电导 率的测定判断所测油脂是否为地沟油 一般毛地沟油萃取水相电导率为 30 15 130 80 S cm 处理后地沟油萃取水相电导率为 22 37 44 61 S cm 食用油萃取水相电导率为 3 18 9 18 S cm 因此以 10 0 S cm 为判断结点 电导率大于 10 0 S cm 的油脂为地沟油 而小于 10 0 S cm 的油脂为非地沟油 本系统通过对电导率的测定以实现快速 准确 地地沟油检测 检测电极与 DE2 开发平台相联 电极检测的数据交由以 SOPC 技术为核心搭 建的数字化信号数据处理系统进行运算并作出判断 结果将通过电阻式触控屏 输出 测试环境 测试环境 硬件平台 友晶公司研发的 DE2 开发板 软件平台 Altera 公司开发的 QuartusII FPGA 开发套件 测试范围 检测电极检测出的电压差值 电压差值的误差范围以及检测的灵敏 度 由于电压差值与被检测液的电导率的值相关联 当检测的电压差值有明显 区分时 则说明被检测液的电导率能明显被区分 测试工具 DS1102E 型数字示波器 信号发生器 MATLAB 软件 测试方法 利用信号发生器产生正弦激励信号 输入到信号处理部分中 观察 关键部分的波形 主要观察低通滤波器的输出值 该处输出信号应是含有被测 幅值的直流信号 通过对该处的检测检可判断输出的幅值是否与输入相同 测试结果 低通滤波器输入输出记录 示波器测试 imput v Vmax vVpp vVmin vvalue v 33 482 021 462 47 2 53 382 161 222 3 23 32 241 062 18 1 53 182 340 842 01 13 062 460 61 83 0 52 962 580 381 67 28 y 0 2103x 2 8587 y 0 2171x 2 68 y 0 4274x 0 1787 y 0 3189x 1 5187 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 01234 Vmax Vpp Vmin Value 线性 Vmax 线性 Vpp 线性 Vmin 图 5 1 低通滤波器的输出值及线性拟合曲线 由低通滤波器输出的值以线性拟合的结果 可知输出的幅值数值与输入的激励 信号幅值呈线性关系 本系统可以实现电导率信号的检测 5 2 油脂萃取液水相电导率的测试油脂萃取液水相电导率的测试 通过对不同的油脂的萃取液的水相电导率进行检测 并与油脂的实际电导率 值相比较 测试系统准确性以及校准系统 此测试使用了 乙醇 甲醇 甘油 甘醇 乙酸 丙酮 乙酸乙酯等萃取液 测试环境 室温下 室内环境下测试 测试结果 测试结果没有进行最终的电导率值转换 记录的是相应测试的输 出电压幅值 测试结果值 电压 v 0 50 60 811 21 5 1 71 822 2 平方0 250 360 6411 442 252 893 2444 84 测试值 781012230 22150 34200 55000 84500 108700 122300 150200 162000 结果分析 29 0 50000 100000 150000 200000 0123456 测试值测试值 y 35726x 1205 5 测试值 图 5 2 测试值的线性拟合 图 5 2 展示了测试值在线性拟合后的结果 测试结果呈现很好的线性关系 说明本系统可以明显区分不同液体的电导率 可以快速测定地沟油 表 5 2 是常用的纯液体的电导率表 表 5 2 常用纯液体的电导率 液体名液体名 称称 Name Name ofof liquid liquid 温度温度 Temperature Temperature 电导率电导率 Conductivity Conductivity S cm S cm 液体名液体名 称称 Name Name ofof liquid liquid 温度温度 Temperature Temperature 电导率电导率 Conductivity Conductivity S cm S cm