智舌信號的數字濾波設計

胡曉暉，毛岳忠，田師一，鄧少平

（浙江工商大學，食品感官科學實驗室，浙江杭州310035）

智舌信號的數字濾波設計

胡曉暉，毛岳忠，田師一，鄧少平*

（浙江工商大學，食品感官科學實驗室，浙江杭州310035）

智舌是一種新型智能感官分析儀器，它以快速、簡便、安全等特點迅速在食品質量與安全、生物、環境等領域得到廣泛應用。智舌在檢測茶、酒等物質時信號強度高，受背景噪音影響較小，但在檢測糖、水等某些弱電解質溶液時，信號十分微弱，受背景噪聲干擾明顯，直接影響測量值的準度與精度。實驗借助LabVIEW開發平臺，提出了一種適合智舌檢測信號的數字濾波方法。通過對水、蔗糖溶液、綠茶飲料的濾波前后信號比較，證明此方法方便、靈活、可靠，能很好地濾除智舌信號的背景噪聲干擾。

智舌，數字濾波，LabVIEW

智舌［1-2］是浙江工商大學食品感官實驗室研究的一種新型智能型電子舌。它是一種以惰性金屬傳感器為基礎，結合電化學、模式識別算法以及專家數據庫對被測樣品整體品質分析檢測的現代化儀器［1-3］。因其具有檢測信息量豐富，測試時間短，傳感器使用壽命長，穩定性好等特點，在污水監測、微生物生長期檢測、茶類、酒類鑒別等應用領域，智舌已經顯示出巨大應用潛力［4-7］。茶、酒等物質電解質含量較高，信號強度較大，受外界噪聲影響不明顯，而檢測糖、純凈水等弱電解質物質時，信號強度很弱，受到周圍電、磁場、人類活動所帶來的噪聲影響也就相對較大。如果不對信號進行有效的濾波，就會使有用信號受到較大干擾，影響信號測量的可靠度與精度，甚至給后期的數據處理結果帶來嚴重影響。傳統的處理方法往往借助于硬件電路的濾波，但這種方法很難保證較窄的通帶寬度，且中心頻率固定，靈活性較差，調試過程也較為復雜。隨著近來數字濾波技術件的發展，應用數字濾波軟件對信號進行濾波處理，越來越多地被人們所接受采用。LabVIEW作為一種圖形化的編程語言和開發環境，被公認為是標準的數據采集和儀器控制軟件。它基本上不需要編寫文本式的程序代碼，而是使用工程技術人員所熟悉的術語、圖標和概念，可以方便快速地建立自己的虛擬儀器。LabVIEW軟件開發平臺中信號處理單元的Filters模塊能面向對象編程，其先進、靈活、強大的功能讓設計者只要適當改變濾波器的參數，就能方便地改變濾波特性，滿足我們對信號準度、精度的要求。

1 智舌系統簡介

基于虛擬儀器所構建的智舌系統（見圖1），主要由傳感器陣列、信號調理單元、NI數據采集卡以及基于LabVIEW開發環境的測試軟件和基于Matlab開發環境的模式識別軟件等四部分構成。其工作過程：首先由PC控制數據采集卡（USB-6251）的數模轉換接口（D/A Converters）產生激勵信號，并通過恒電位模塊穩定地施加于傳感器陣列驅動待測溶液發生電化學反應，同時傳感器產生微弱的電流信號，經程控電流跟隨器模塊放大、濾波，輸入至數據采集卡的模數轉換接口（A/D Converters）進行采集，最后傳輸至計算機進行處理。

圖1 基于虛擬儀器平臺的智舌系統框圖

智舌的硬件處理單元包括恒電位模塊、通道選擇模塊、信號放大模塊等幾個功能區塊。如采用硬件濾波，需要加入特定的濾波器件單元，不僅增加了整體電路布局的復雜性，而且這一濾波方案要試用于不同樣品的智舌信號，調試復雜、周期長，不利于對智舌系統的整體研發。數字濾波技術與數字濾波配套軟件的飛速發展，使得我們完全有能力利用軟件數字濾波方式替代硬件濾波。

智舌的軟件測試單元是整個系統的關鍵部分，該測試軟件模型最大的特點是能夠根據測試的不同需求，在原型基礎上通過簡單快速地配置就能滿足新的研發需求，而所有的操作基于LabVIEW2009開發平臺并結合NI-DAQmx 8.9.5設備驅動程序完成的。因此，采用基于LabVIEW虛擬儀器平臺來實現智舌信號濾波，只需要增加相應的濾波程序，不需要增加外部設備，靈活可靠，大大降低了開發時間和成本。

2 智舌信號濾波設計

2.1 智舌信號的激發與采集

智舌檢測的對象一般是水溶液，需要在外部電勢激發下驅動樣品溶液發生電化學反應，從而獲得其響應信號并進行后期數據處理分析。使用不同的激勵信號，將產生不同的響應信號，并決定了不同檢測要求［8-9］。智舌的激發信號是在常規大幅脈沖激發信號的基元上進行改進與擴充，利用LabVIEW開發環境構建了一種新型的組合頻率脈沖信號，每個大幅脈沖的脈沖幅度從1V開始，每次變化-0.2V，直到-1V。同時，增加了1、10、100Hz三個不同頻率段的變化；使傳感器不僅反映物質在不同電勢下的電化學特征的同時，還呈現出物質在不同頻率段（如圖2所示）的響應特征。

2.2 智舌信號數字濾波器設計

根據智舌信號的特點以及采集程序的要求，選用濾波速度快，對相位沒有要求的IIR濾波器。本程序采用的巴特沃斯濾波器的幅度平方函數為：

式（1）中：整數N為濾波器的階數，Ωc為其-3dB頻率（通常稱為截至頻率）。此濾波器的特點是在截至頻率內，它擁有最平滑的頻率響應，在截至頻率以外，頻率響應單調下降。在通帶中特性波動小，是理想的單位響應，在阻帶中響應為零。提高濾波器的階數可以明顯地提高濾波效果，但有時會造成信號的連貫性不好，局部失真，且增加算法的復雜度，所以一般不建議在滿足低頻段阻帶衰減要求的情況下增加濾波器的階數，本濾波設計定義濾波器階數為3階。關于截至頻率以及通帶類型的考慮，由于智舌信號分處于三個頻率段，若對整體的信號采用同種濾波方式顯然效果將不太理想。因此本濾波程序針對1Hz頻率段采用低通濾波器，截至頻率為10Hz；針對10Hz頻率段采用低通濾波器，截至頻率為50Hz；針對100Hz頻率段采用帶通濾波器，低截至頻率為50Hz，高截至頻率為400Hz。這樣既能避免50Hz頻率噪聲的干擾，又能把高頻的電磁波信號很好的濾除。

2.3 智舌信號數字濾波程序實現

數字濾波的軟件設計主要是通過LabVIEW中信號處理單元的Filters模塊來實現的。濾波器接受來自采集卡采集并經過前端處理的信號，經濾波處理后，得到更符合原采樣信號的處理信號。

圖2 智舌響應信號

圖3 智舌數字濾波程序框圖

智舌信號數字濾波的程序框圖（見圖3），采樣率為1k，即每毫秒采集一個點。1Hz頻率段的信號需要23000ms采集完成，10Hz頻率段的信號需要2300ms采集完成，100Hz頻率段的信號需要230ms采集完成。程序定義每個循環用時1ms，故在程序編寫中用循環次數進行Case結構的判斷，使每個頻率段采用不同的濾波參數。程序的核心部分是數字濾波器可編程模塊單元。可以方便地對濾波器的種類、通帶類型、截至頻率、濾波器階數、傳遞模式、頻譜響應等進行修改，界面簡單友好［10］。在實際的測量測試項目中，根據采集到信號的具體情況，對以上參數進行修改調試，就能很好地實現對信號濾波去噪的工作。為了直觀、準確地表征濾波前后的處理結果，對于每一次實驗，測試軟件可以分別保存原始數據與經數字濾波處理后的測試數據，避免了兩次測試實驗帶入的誤差。

3 智舌信號數字濾波效果比較

3.1 材料與設備

測試樣品 市售四種常見的純凈水（a、b、c、d）；0.001mol/L蔗糖溶液，市售某品牌綠茶飲料；樣品直接測試，無需前處理過程。

智舌 本實驗室自行研究開發的設備，工作電極和輔助電極均選用鉑電極，參比電極為銀-氯化銀電極，外鹽橋使用的為飽和氯化鉀。

3.2 實驗方法

本研究先取純凈水樣品b、0.001mol/L蔗糖溶液和市售某品牌綠茶飲料這三種樣品。分析對比其濾波前后的原始信號。再對四種純凈水樣品做了特定的模式識別算法分析，進一步反映數字濾波對智舌結果分析的影響。

3.3 結果與分析

3.3.1 原始信號的濾波效果比較 由圖4、圖5可以發現，純凈水b樣品信號的最大峰值小于0.08V，而0.001mol/L蔗糖溶液信號更小，最大峰值只有0.035V左右。受背景噪聲干擾比較明顯。濾波前，信號在上升沿及下降沿的遲豫部分出現明顯毛刺，而此部分的信號在電化學上能很好地表征溶液法拉第電流的響應特性，如果這部分的信號的準度與精度受到干擾，將直接影響最終的實驗結果。濾波后，信號的噪聲基本濾除了，而有用信號的整體響應并沒有因為濾波的關系發生缺失與畸變。由圖6可見，某品牌綠茶飲料信號強度較高，受背景噪聲干擾不太明顯，濾波后的信號幅值比濾波前的稍小，但整體信號響應還是保存得非常完整。

圖4 純凈水b樣品濾波前（A）濾波后（B）信號對比圖

3.3.2 由模式識別PCA算法處理后的濾波效果比較主成分分析（PCA）方法，是一種考察多個數值變量間相關性的模式識別處理算法。將PCA應用于智舌分析檢測的目的就是保證盡可能多地表征原始信息的前提下進行降維處理，用少數幾個新變量來代替較為龐大的原始數據。PCA的結果往往用主成分得分圖來直觀地表征，橫縱坐標分別代表第一主成分和第二主成分承載的樣品信息量，圖中每個點代表一個樣品的一次檢測，點與點之間的距離代表不同檢測次數之間的差異。濾波前后的PCA得分圖如圖7所示，濾波前a、b樣品區分效果較好，但c、d樣品有小部分的重疊，區分效果不是很理想。濾波后，四種純凈水所表示的區塊各自獨立，區分效果就比較理想了。可見本文所述，針對智舌信號的數字濾波方法設計是完全可行的。

圖5 0.001mol/L蔗糖溶液濾波前（A）濾波后（B）后信號對比圖

圖6 某品牌綠茶飲料濾波前（A）濾波后（B）后信號對比圖

圖7 四種純凈水樣品濾波前（A）濾波后（B）PCA得分圖比較

4 結論及展望

本研究在LabVIEW2009開發環境下，結合智舌信號采集程序，提出了一種適合智舌信號的數字濾波方法。由原始信號散點圖和PCA處理主成分得分圖可以證明此方法方便、靈活、可靠，能很好地濾除智舌信號的背景噪聲且完整地保留了有用信號的響應特征。針對不同背景噪音下的信號，也只需要適當改變數字濾波器的參數就能實現不同的濾波方法，因此這一開發具有很好的工程應用價值。

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Design of digital filter for the signal of Smartongue

HU Xiao-hui，MAO Yue-zhong，TIAN Shi-yi，DENG Shao-ping*
（Zhejiang Gongshang University，Food Sensory Science Laboratory，Hangzhou 310035，China）

Smartongue is a new intelligent sensory-analyzing instrument.With its characteristics of robustness，simplicity and safety，it is widely applied in the fields of food quality and safety inspection，biological and environmental studies.When Smartongue was used for inspecting tea and wine，the signals would be strong and more immune to the background noises.However，when it was used for inspecting sugar，water and other weak electrolytic liquid，the signals would be weak and susceptible to background noise，and thus it would affect the accuracy and precision of the measurement.This article，based on the LabVlEW development platform，aims to propose a digital filtering method，which is suitable for the Smartongue inspection signal.Experiments were conducted on the pre-and post-filtering signals on the tested liquids，such as water，cane-sugar solution and green tea，and it proved that it was convenient，flexible and reliable in filtering the background noise of the signal in Smartongue.

Smartongue；digital filter；LabVlEW

TS201.1

A

1002-0306（2010）12-0352-04

2010-06-08 *通訊聯系人

胡曉暉（1985-），男，工學碩士，主要從事仿生舌（鼻）模型機研究。

省自然科學基金（Y3090523）。