基于sopc的地沟油检测系统——大学生电子设计竞赛(编辑修改稿)

基于sopc的地沟油检测系统——大学生电子设计竞赛(编辑修改稿)内容摘要：

钠在地沟油水相中特征荧光波峰为 nmemex 290/230/  ，而食用油则不存在，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。 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。 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。 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 [15]。 由 表 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 10μ S/cm 以下，而地沟油的水萃取液的水相电导率值都在 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 — S/cm，处理后地沟油萃取水相电导率为 — S/cm，食用油萃取水相电导率为 — S/cm，测定油脂的萃取水相电导率值大于 10μ 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。 9 表 油样水萃取液的电导值（μ S/cm） 油样 温度 /℃ 24 26 28 地沟油 鲁花花生油 胡姬花花花生油 福康星大豆油 油烟机烟气油 10 第二章 系统设计方案及整体架构 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。 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． 自相关检测 自相关函数：       tXsXEtsR *,  其中 X(t)为 随机过程 ， E(X(t))为期望，Y(t)为另一随机过程。 图 自相关检测原理框图 由图 输出：   )()()()()()(1lim 2/2/ nnnssnssiTT iTXXRRRRdttxtxTR  ，根据互相关的性质，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 0)( snR ， 0)( nsR ，则 Rxx( )= )()(  nnss RR  ，随  的增大， 0nnR 则对充分大的  ，可得 )()(  ssxx RR  ，就得到了信号 S(t)的自相关函数 )(ssR ，乘法器 ∫ 延时器（  ） Xi(t)=Si(t)+Ni(t) Rxn( ) 11 它包含了 S(t)所携带的某些信息。 互相关函数：       tYsXEtsR *,  其中 X(t)为 随机过程 ， E(X(t))为期望，Y(t)为另一随机过程。 图 互相关检测原理框图 图 是实现互相关检测的原理框图。 设输入 x(t)为：      tntstx 。 其中 ts 为待测信号， tn 为信号 ts 中混入的噪声， ty 为已知参考信号，则互相关输出 )(xyR 为： )()()()(21l i m  nysyTTTxyRRdttytxTR  。 如果参考信号ty 与信号 ts 有着某种相关性，而已知 ty 与噪声 ts 没有相关性，且噪声信号的平均值为零，则：     syxy RR  ， syR 中包含了信号 ts 所携带的信息，这样就把待测信号 ts 检测出来了。 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。 乘法器 积分器 延时器 X(t) Y(t) tRxy 12 信 号 通 道0 176。 参 考 信 号 通 道相 敏 检 波 19 0 176。 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IQA待 测 信 号()xt 1 ()Zt2 () 图 正交矢量型锁定放大器原理图 图 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 ()xt，即 ( ) ( ) ( )x t s t n t， 其中 ()nt为随机噪声 ， ()st 为有用 正弦 信号，即 1( ) si n( 2 )ss t A f t； IQ平 方平 方求 和2I 2Q开 方 运 算22IQ 22IQ 图 运算单元结构图 0176。 参考信号为 s in 2( ) sin( 2 )rr t B f t； 90176。 参考 信号为 c os 2( ) c os ( 2 )rr t B f t； 其中 A 、 B分别为待测信号及参考信号幅值， sf 、 rf 分别为待测信号及参考信号频率， 1、 2 分别为待测信号及参考信号初始相位。 待测信号 ()xt通过相敏检波 相敏检波 2有：  1 s i n122 1 2 1 2( ) ( ) ( )s in ( 2 ) ( ) s in ( 2 )( ) s in ( 2 ) c o s [ 2 ( ) ( ) ] c o s [ 2 ( ) ( ) ]22srr s r s rZ t x t r tA f t n t B f tA B A Bn t B f t f f t f f t                                   2 c o s122 1 2 1 2( ) ( ) ( )s in ( 2 ) ( ) c o s ( 2 )( ) c o s ( 2 ) s in [ 2 ( ) ( ) ] ( s in [ 2 ( ) ( ) ] )22srr s r s rZ t x t r tA f t n t B f tA B A Bn t B f t f f t f f t                         设低通滤波器 低通滤波器 2 截止频率 均为 cutf ，当 cut s rf f f，且其带宽尽量窄时，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。 13 当 cut s rf f f时，则有： 0IQ； 当 s r cut s rf f f f f   时，则有： 12c o s [ 2 ( ) ( ) ]2 srABI f f t     ，12s in [ 2 ( ) ( ) ]2 srABQ f f t     ； 当 srff 时，则有： 12co s[ ( )]2ABI ， 12sin [( )]2ABQ 。 由上述分析可知，当 srff 时，输出为直流信号，且 I 与 Q 只与参考信号与待测信号幅度、相位有关。 当 srff 时，输出信号为交流信号。 对于待测信号的 A ，可利用 srff 时， I 与 Q 求得，即： 222A I QB 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 14 图 信号转换示意图 如图 所示，设信号源输出的信号幅值为 A，内阻 r 已知，待测液的阻抗为 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： AYrRR  ，即 rY YAR *1 。 再经过进一步处理，依据电极的宽度 L便可得到待测液的电导率：LRg *1。 然后将电导率信号经过正交矢量型锁定放 大器，检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 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。 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 Ⅱ/f （快速） —— 最高的系统性能，中等 FPGA使用量； Nios Ⅱ/s （标准） —— 高性能，低 FPGA 使用量； Nios Ⅱ/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 Ⅱ 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 Ⅱ 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 Ⅱ 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 Ⅱ 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 Ⅱ 处理器具有完善的 软件 开发套件，包括 编译器 、 15 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 Ⅱ 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 Ⅱ 处理器核的数量。 将处理器实现为 HDL 的 IP 核，开发者能够完全定制 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。