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 22 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 10.0s/cm，如果其大于 10.0s/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 10.0s/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 57 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 1.3.115。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 10s/cm 以下，而地沟油的水萃取液的水 相电导率值都在 33.5s/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 30.15 130.80s/cm，处理后地沟油萃取水相电导率为 22.3744.61s/cm，食用油 9 萃取水相电导率为 3.189.18s/cm，测定油脂的萃取水相电导率值大于 10s/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 tntstxtstntsty 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 tyts 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： tyts ，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)cos2 ()()cos2 ()() 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)sin2 ()()(sin2 ()() 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 cos2 ()() 2 sr ab iff t ； 12 sin2 ()() 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。 22 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 2540；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 828es clk /to create 828es 20 clk/ always (posedge clk_50m) begin /if(cntr_clk_adc #define window_xaddr_start0x0050 #define window_xaddr_end 0x0051 #define window_yaddr_start0x0052 #define window_yaddr_end 0x0053 #define gram_xaddr 0x0020 #define gram_yaddr0x0021 #define gramwr 0x0022 /*画笔颜色*/ #define white 0xffff #define black 0x0000 #define blue 0x001f #define bred 0xf81f #define gred 0xffe0 #define gblue 0x07ff #define red 0xf800 #define magenta 0xf81f #define green 0x07e0 #define cyan 0x7fff #define yellow 0xffe0 #define brown 0xbc40 /棕色 #define brred 0xfc07 /棕红色 #define gray 0x8430 /灰色 /*gui 颜色*/ #define darkblue 0x01cf /深蓝色 #define lightblue 0x7d7c /浅蓝色 #define grayblue 0x5458 /灰蓝色 /以上三色为 panel 的颜色 #define lightgreen 0x841f /浅绿色 /#define lightgray 0xef5b /浅灰色(pannel) #define lgray 0xc618 /浅灰色(pannel),窗体背景色 #define lgrayblue 0xa651 /浅灰蓝色(中间层颜色) #define lbblue 0x2b12 /浅棕蓝色(选择条目的反色) void ili9325_initial(void); void show_colour_bar (void); void write_cmd_data(unsigned char x, unsigned int y); 39 void write_cmd(unsigned char dh,unsigned char dl); void write_data(unsigned char dh,unsigned char dl); void delaylcdms(unsigned int tt); void show_photo(void); void show_rgb (unsigned int x0,unsigned int x1,unsigned int y0,unsigned int y1,unsigned int color); void write_data_u16(unsigned int y); static void lcd_setpos(unsigned int x0,unsigned int x1,unsigned int y0,unsigned int y1); void clearscreen(unsigned int bcolor); void lcd_putchar8x16(unsigned int x, unsigned int y, char c, unsigned int fcolor, unsigned int bcolor); void lcd_putchar(unsigned int x, unsigned int y, unsigned int c, unsigned int fcolor, unsigned int bcolor); void put_pixel(unsigned int x,unsigned int y,unsigned int color); void lcd_putstring(unsigned short x, unsigned short y, unsigned char *s,unsigned int fcolor, unsigned int bcolor); void lcd_putchar8x8(unsigned short x, unsigned short y, char c, unsigned int fcolor, unsigned int bcolor); void putgb1616(unsigned short x, unsigned short y, unsigned char c2, unsigned int fcolor,unsigned int bcolor); void putgb3232(unsigned int x, unsigned int y, unsigned char c2, unsigned int fcolor,unsigned int bcolor); void line(unsigned int x1, unsigned int y1, unsigned int x2, unsigned int y2,unsigned int color); void rectangle( unsigned int left,unsigned int top,unsigned int right,unsigned int bottom,unsigned int color); void bar(unsigned int left,unsigned int top,unsigned int right,unsigned int bottom,unsigned int color); void lcdshow_ucharnumber(unsigned int x,unsigned int y,unsigned long ucharnumber,unsigned int forecolor,unsigned int bkcolor); void showline(unsigned int x,unsigned int y,unsigned int color); alt_u8 pio_value; int pio_1(alt_u32 pin) pio_value = (pio_value | pin); iowr(lcd_cmd_base,0,pio_value); / 将 pin 端口置位而不改变其它 位 return 0; int pio_0(alt_u32 pin) 40 pio_value = pio_value iowr(lcd_cmd_base,0,pio_value); / 将 pin 端口清 0 而不改变其它位 return 0; #define rs (18; n=y; write_cmd(0x00,x); write_data(m,n); 44 void write_data_u16(unsigned int y) unsigned char m,n; m=y8; n=y; write_data(m,n); /= 写命令 =/ void write_cmd(unsigned char dh,unsigned char dl) cs_0; rs_0; iowr_8direct(lcd_data_base,0,dh); rw_0; rw_1; iowr_8direct(lcd_data_base,0,dl); rw_0; rw_1; cs_1; /= 写数据 =/ void write_data(unsigned char dh,unsigned char dl) cs_0; rs_1; iowr_8direct(lcd_data_base,0,dh); rw_0; rw_1; iowr_8direct(lcd_data_base,0,dl); 45 rw_0; rw_1; cs_1; /= void delaylcdms(unsigned int count) / usleep(count*100); void ili9325_initial(void) write_cmd_data(0x00e3, 0x3008); / set internal timing write_cmd_data(0x00e7, 0