基于AD5933的鮮奶奶質檢測儀設計

于曉淼， 苑文舉， 張孝飛

（長春工業大學計算機科學與工程學院，吉林長春 130012）

0 引 言

為保證奶源質量，防止不合格乳制品流入市場，解決的手段之一就是在收購散戶鮮奶過程中進行鮮奶奶質快速綜合檢測。正常情況下，鮮奶中只要摻兌了任何其它成分，表征鮮奶奶質的重要特征即密度和電導率及5種相關離子（氯離子，鈣離子，鈉離子，硝酸根離子，亞硝酸根離子）的濃度就會出現異常。針對表征鮮奶奶質的重要特征，本實驗參照文獻[1-3]設計出一款電子式鮮奶奶質綜合指標快速檢測儀。

1 儀器原理簡介及整體設計

從表征鮮奶奶質的重要特征出發，同時考慮溫度及pH值對測量結果的影響，合理設計電路，分別對密度和電導率、氯離子濃度、鈣離子濃度、鈉離子濃度、硝酸根離子濃度、亞硝酸根離子濃度、溫度、pH值等相關信息進行測量，并對測量數據進行綜合分析。為提高測量速度，文中采用并行處理方法，即一個主控制器及必要的外圍電路和6路數據采集及運算電路。主控制器綜合控制6路數據采集及運算電路，對采集的數據進行分析，并完成對鍵盤、液晶顯示、打印機、相關通訊接口的控制，并利用外圍運放電路對溫度及pH值進行測量;6路數據采集及運算電路采集各自傳感器所收集的信息并進行合理運算，得到相應的密度和電導率及5種離子的濃度送給主控制電路綜合處理;數據采集及運算電路的激勵采用DDS產生的正弦波信號，以往通常以FPGA為核心實現DDS功能[4]，但其設計復雜繁瑣且成本較高。文中選用AD5933芯片，該芯片內嵌DDS內核，可產生幅值及頻率可調的正弦波，并可進行掃頻，達到較好的效果。為提高開發效率，主控制器電路和6路數據采集及運算電路均各自外配仿真電路，可同時在線仿真，開發過程中隨時對運算方法進行修正。

2 鮮奶奶質檢測儀的實現

主控制器選用意法半導體公司的STR710FZ2，該芯片含有ARM7TDMI內核及豐富的片內外設資源[5-6]，用來管理鍵盤、液晶顯示器、打印機和USB接口，并采集密度、離子濃度、pH值和溫度信息。數據采集及運算電路的從處理器選用性價比較高的C8051F020[7]，監視和檢測密度及離子濃度的變化。為簡化電路設計，提高系統運行的穩定性，數據采集及運算電路中采用AD5933芯片，該芯片內嵌DDS內核，可輸出最高頻率達100 kHz，分辨率小于0.1 Hz的峰峰值可調的正選波，是一款高精度的阻抗轉換器系統解決方案。

2.1 基于AD5933的離子濃度檢測

2.1.1 DDS基本原理

直接數字頻率合成（DDS）是一種以相位出發的波形合成概念。DDS系統主要包括相位步進量寄存器、相位累加器、地址發生器、波形表存儲器、D/A轉換幾個部分組成。其基本原理如圖1所示。

圖1 DDS基本原理框圖

全加器和寄存器構成了相位累計器，由基準時鐘驅動，以步進量M累加，累加的結果即相位值。將相位作為波形表地址，直接從存儲器讀出幅值數據，從而完成相位-幅值的轉換。相位數據送入D/A轉換輸出模擬量。

通常DDS功能由FPGA來實現，需要分別設計相位步進量寄存器、相位累加器、地址發生器、波形表存儲器，還需要外接DAC等。雖然產生的波形信號靈活可變，可實現AM，FM，FSK， PSK，Burst調制及掃頻等功能，但其設計復雜、工作效率較低。本設計采用正弦波激勵外部復阻抗進行測量，因此必須加入DDS模塊部分。又考慮到利用FPGA來實現DDS成本較高，設計復雜，因此，文中采用片上集成DDS模塊的AD5933作為阻抗轉換器系統解決方案。

2.1.2 AD5933基本工作原理

AD5933是一款高精度的阻抗轉換器系統解決方案，其原理框圖如圖2所示。

圖2 AD5933功能框圖

該芯片片上內嵌了DDS模塊與高性能的12位、1 MSPS的模數轉換器，足以滿足數據采集及運算電路對激勵信號的要求。用頻率發生器產生的信號來激勵外部復阻抗，外部阻抗的響應信號由片上ADC進行采樣，然后由片上DSP進行離散傅里葉變換（DFT）處理。DFT算法在每個頻率上返回一個實部數據字（R）和一個虛部數據字（I）。校準之后，利用讀取的實部和虛部數據字計算出外部復阻抗。

2.1.3 離子選擇性電極間的等效阻抗或導納的計算

AD5933允許對寄存器設置來自定義DDS的起始頻率、頻率分辨率和掃描點數執行頻率掃描。此外，還允許通過調節片內增益改變輸出正弦波信號的峰峰值，以激勵外部未知復阻抗。針對掃描中的每個頻率點，器件都會進行一次DFT變換，算法如下:

式中:X（f）——信號在該頻率點的能量;

x（n）——ADC的輸出;

cos（n），sin（n）——DDS內核提供的頻率為f的采樣測試矢量。

計算復阻抗第一步為計算該點的DFT幅度，算法如下:

為將此值轉換為復阻抗，必須乘以該芯片的增益系數。增益系數是在系統校準期間利用Vout和Vin引腳之間的已知阻抗算出。對AD5933進行相應的設置，選取校準阻抗為Rm，當DFT轉換完成后可計算增益系數，計算增益系數的算法如下:

考慮到電容的容抗及電感的感抗會隨頻率的變化而變化，因此，增益系數也會隨著頻率的變化而變化。為提高系統測量準確度，采用兩點頻率校準的方法，即高頻段和低頻段分別取一個頻率點，分別計算這兩點增益系數，將這兩點的增益系數求平均值作為系統的增益系數。算出增益系數之后，可對離子選擇性電極間的等效阻抗或導納即外部復阻抗進行測量計算，外部未知復阻抗計算方法如下:

2.2 鮮奶溫度的測量

溫度是影響表征鮮奶指標兩大特征的重要因素，因此，文中在測量離子選擇性電極間等效阻抗或導納的同時對環境溫度進行測量。溫度測量電路設計如圖3所示。

圖3 溫度測量電路

選擇熱敏電阻作為第一級運放電路的反饋電阻，由溫度變化影響熱敏電阻的阻值，進而影響第一級運放的電壓放大倍數，通過第二級運放對電壓值進一步放大，模擬電壓值經A/D轉換，由IIC接口送給STR710FZ2處理，ST R710FZ2根據接收數據計算環境溫度。

2.3 鮮奶pH值的測量

鮮奶pH值對表征鮮奶質量兩大特征有一定的影響，因此，本系統對鮮奶pH值進行測量，測量電路設計如圖4所示。

圖4 pH值測量電路

選擇高輸入阻抗的運放CA3140采集pH值輸入信號，對該信號進行放大，模擬電壓值經A/D轉換，由IIC接口送給STR710FZ2處理。

STR710FZ2根據以上測得的離子選擇性電極間的等效阻抗或導納，綜合考慮環境溫度及鮮奶pH值，實現鮮奶奶質綜合指標的快速檢測。

3 實驗測試結果

本實驗對大量鮮奶樣本進行測量，部分檢測樣本數據見表1。

表1 部分檢測樣本數據

測量結果表明，對純鮮奶及摻入雜質的鮮奶進行測量，測量結果均在預期范圍以內，吻合較好，滿足設計指標要求。

4 結 語

文中設計的鮮奶奶質檢測儀利用AD5933片內集成DDS內核的優勢，對離子選擇性電極間的等效阻抗或導納測量電路設計簡單且運行穩定。系統采用并行結構，以電路冗余為代價，提高測量速度，使測量時間不超過4 min。實驗結果表明，電路設計及算法合理，可對鮮奶奶質綜合指標進行快速檢測。

[1] 李春.乳品分析與檢測[M].北京:化學工業出版社，2008.

[2] 胡會利，李寧.電化學測量[M].北京:國防工業出版社，2007.

[3] 張和平.現代乳品工業手冊[M].北京:中國輕工業出版社，2005.

[4] 苑文舉，陳曉霞，蔡翔.基于VerilogHDL的新型DDS的結構設計[J].長春工業大學學報:自然科學版，2010，31（6）:697-700.

[5] 沈建華，姜寧.ST R711X系類ARM微控制器原理與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社，2006.

[8] 俞卞章.數字信號處理[M].蘭州:西北工業大學出版社，2002.

[7] 張迎新.C8051F系列SOC單片機原理及應用[M].北京:國防工業出版社，2005.

[6] 沈建華.STR71x系列ARM微控制器原理與實踐. [M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.