基于ARM μCLinux的超声波牛奶成份检测仪的设计

1、    基于ARM+CLinux的超声波牛奶成份检测仪的设计        王明伟1，董文宾2，汤 伟1， 时间:2008年05月06日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘要：关键词： ARM 锁相环 声波 检测仪牛奶作为一种有益人体健康的绿色

2、饮品，其安全和质量检测，需要一种能快速检测牛奶品质的简便仪器，为人们的健康安全把关。国外乳品检测仪器都可较快的测量乳品的脂肪、蛋白质、乳糖等多种成份，自动化程度很高。但是也存在许多缺点：体积较大，仪器的操作和保养维护比较复杂，时间稳定性不高，经过一段时间就需要用新标准样品标定曲线，最主要的是此类仪器成本较高，售价高昂(百万元人民币以上)，不利于在中国普及。目前国内拥有该仪器的公司并不很多，而且由于国外的售后服务不便，许多仪器因而得不到及时维修与保养而废弃1。智能型牛奶质量快速检测仪，就是一种能解决这一难题的简易实用的仪器。它采用现代最新的超声检测技术, 对检测牛奶样品进行无损在线检测。检测仪基

3、于先进的32位Samsung S3C44B0X(集成ARM7TIMI内核)微处理器和实时操作系统CLinux研制而成。在时间精确测量上，采用了复合锁相环测时技术，提高了测量的精度和稳定度，所以整个检测仪集高技术、高精度和低成本于一体，具有很高的实用性。1 检测仪硬件系统组成整个检测系统是以S3C44B0X微处理器为核心，键盘为控制信号输入设备，LCD和微型打印机为输出设备，将检测到的牛奶数据和信息以图形和相关数据的形式显示和打印出来。检测超声波信号受电压信号激发，经过超声发射换能器将电压以超声波的形式辐射出去，在牛奶液媒质中传播。接收换能器将接收到的超声波信号转换成微弱的电信号，经过放大、滤波

4、、整形后成为可以被检测到的电信号2。由于牛奶检测的温度对超声波在奶液中的传播速度有影响，应保持牛奶液在样品管中被检测时是恒定在某个温度，因此检测仪配有独特设计的恒温电路和温度传感器电路。由于超声在液体媒介中传播一般为900m/s1900m/s，而且样品管的长度有限，所以超声在样品管中的时间很短，而牛奶中某些物质与传播时间的精确性有很紧密的函数关系3，检测仪采用锁相环测时技术可以解决这个难题，将时间精确到10-7s以内。因为具有SoC(片上系统)功能的微处理器芯片S3C44BOX集成了丰富的外围功能模块，减少了许多外围器件，整个系统的硬件电路十分紧凑而且功耗较低。如图1所示。2 Samsung

5、S3C44BOX简介ARM7TDMI是ARM(Advanced RISC Machine)公司最早为业界普遍认可且得到广泛应用的处理器，随着ARM技术的发展，它已是目前最低端的ARM核。ARM7TDMI是从最早实现了32位地址空间编程模式的ARM6核发展而来的，可在低于5V的电源电压下可靠稳定地工作，增加了64位乘法指令、支持片上调试、Thumb指令集和EmbededICE片上断电和观察点。Samsung S3C44BOX微处理器片内采用0.25m CMOS工艺制造，其主要的功能在ARM7TDMI的基础上增加了8KB的Cache； 在外部扩充存储器控制器；LCD控制器，且带有一个LCD专用DM

6、A通道；看门狗定时器；71个通用可编程I/O口，8个外部中断源；功能控制模式：正常、低功耗、休眠和停止；8路10位ADC。并采用一种新的三星ARM CPU嵌入总线结构SAMBA2,最高频率可达66MHz。3.1 超声检测原理超声检测技术就是发射-接收技术，利用超声波在媒质中传播特性(声速、声衰减、声阻抗等)来获取媒质中的一些非声学特性信息(如浓度、密度、硬度、弹性、温度等)。超声波分析依靠超声波特性与媒质组成之间的关联关系得以实现，这些关系的形成就需要测量穿过一系列已知组成成份样品的超声波特性，找到适合实验结果的经验公式及超声波穿过牛奶液时的理论公式。在研究中，结合理论和经验公式来实现超声波速

7、度和组成成份的公式关系。穿过特定组织成份的超声波的速度跟组织成份的物理特性有关，可以用如下等式表述：i为混合物第i个组分的容积率。此方程被称作均一的描述方程，因为每一相的性质都是独立于系统体系性质。对于牛奶液，就必须考虑其他成份对超声波速度的影响，为了进一步近似正确结果，超声波在复合成份中的特性可用下式表述：式中j，j，j分别为组分各自的密度、绝热压缩率、成分j的质量百分含量，混合物的绝热压缩率可以由密度和超声波速度来表达(见等式1)。在假设变化成份的密度大约近似的情况下，等式(3)可以简化为：等式(4)为一个简化的方程，描述了材料超声波特性与成份间的关系，等式(4)也比较容易实现，其只需要超声波定位成份的速度即可。3.2 超声波发射与接收电路4 测时原理超声波声速的测量精度关系到能否获得物质结构细微的变化。因此高精度测量声波传播时间，并进行数据处理是检测仪检测精度的关键。按照声学原理，声波沿x方向传播平面方程是：在x方向上任意两点之间的振动相位与两点间的距离有关。设两点距离为s，声传播速度为vs，则相位差为：如果在系统中，能自动改变频率以达到跟踪超声信号经过延迟的输入输出相位差，并锁定在n(2)，则由下式可得到，式中n为正整数，表示在时间内通过n个整数的周期。精确测量f和n后，就能准确表示出来了2。这里以TI公司的TCL