基于AD5933的鲜奶奶质检测仪设计

于晓淼， 苑文举， 张孝飞

（长春工业大学计算机科学与工程学院，吉林长春 130012）

0 引 言

为保证奶源质量，防止不合格乳制品流入市场，解决的手段之一就是在收购散户鲜奶过程中进行鲜奶奶质快速综合检测。正常情况下，鲜奶中只要掺兑了任何其它成分，表征鲜奶奶质的重要特征即密度和电导率及5种相关离子（氯离子，钙离子，钠离子，硝酸根离子，亚硝酸根离子）的浓度就会出现异常。针对表征鲜奶奶质的重要特征，本实验参照文献[1-3]设计出一款电子式鲜奶奶质综合指标快速检测仪。

1 仪器原理简介及整体设计

从表征鲜奶奶质的重要特征出发，同时考虑温度及pH值对测量结果的影响，合理设计电路，分别对密度和电导率、氯离子浓度、钙离子浓度、钠离子浓度、硝酸根离子浓度、亚硝酸根离子浓度、温度、pH值等相关信息进行测量，并对测量数据进行综合分析。为提高测量速度，文中采用并行处理方法，即一个主控制器及必要的外围电路和6路数据采集及运算电路。主控制器综合控制6路数据采集及运算电路，对采集的数据进行分析，并完成对键盘、液晶显示、打印机、相关通讯接口的控制，并利用外围运放电路对温度及pH值进行测量;6路数据采集及运算电路采集各自传感器所收集的信息并进行合理运算，得到相应的密度和电导率及5种离子的浓度送给主控制电路综合处理;数据采集及运算电路的激励采用DDS产生的正弦波信号，以往通常以FPGA为核心实现DDS功能[4]，但其设计复杂繁琐且成本较高。文中选用AD5933芯片，该芯片内嵌DDS内核，可产生幅值及频率可调的正弦波，并可进行扫频，达到较好的效果。为提高开发效率，主控制器电路和6路数据采集及运算电路均各自外配仿真电路，可同时在线仿真，开发过程中随时对运算方法进行修正。

2 鲜奶奶质检测仪的实现

主控制器选用意法半导体公司的STR710FZ2，该芯片含有ARM7TDMI内核及丰富的片内外设资源[5-6]，用来管理键盘、液晶显示器、打印机和USB接口，并采集密度、离子浓度、pH值和温度信息。数据采集及运算电路的从处理器选用性价比较高的C8051F020[7]，监视和检测密度及离子浓度的变化。为简化电路设计，提高系统运行的稳定性，数据采集及运算电路中采用AD5933芯片，该芯片内嵌DDS内核，可输出最高频率达100 kHz，分辨率小于0.1 Hz的峰峰值可调的正选波，是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案。

2.1 基于AD5933的离子浓度检测

2.1.1 DDS基本原理

直接数字频率合成（DDS）是一种以相位出发的波形合成概念。DDS系统主要包括相位步进量寄存器、相位累加器、地址发生器、波形表存储器、D/A转换几个部分组成。其基本原理如图1所示。

图1 DDS基本原理框图

全加器和寄存器构成了相位累计器，由基准时钟驱动，以步进量M累加，累加的结果即相位值。将相位作为波形表地址，直接从存储器读出幅值数据，从而完成相位-幅值的转换。相位数据送入D/A转换输出模拟量。

通常DDS功能由FPGA来实现，需要分别设计相位步进量寄存器、相位累加器、地址发生器、波形表存储器，还需要外接DAC等。虽然产生的波形信号灵活可变，可实现AM，FM，FSK， PSK，Burst调制及扫频等功能，但其设计复杂、工作效率较低。本设计采用正弦波激励外部复阻抗进行测量，因此必须加入DDS模块部分。又考虑到利用FPGA来实现DDS成本较高，设计复杂，因此，文中采用片上集成DDS模块的AD5933作为阻抗转换器系统解决方案。

2.1.2 AD5933基本工作原理

AD5933是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案，其原理框图如图2所示。

图2 AD5933功能框图

该芯片片上内嵌了DDS模块与高性能的12位、1 MSPS的模数转换器，足以满足数据采集及运算电路对激励信号的要求。用频率发生器产生的信号来激励外部复阻抗，外部阻抗的响应信号由片上ADC进行采样，然后由片上DSP进行离散傅里叶变换（DFT）处理。DFT算法在每个频率上返回一个实部数据字（R）和一个虚部数据字（I）。校准之后，利用读取的实部和虚部数据字计算出外部复阻抗。

2.1.3 离子选择性电极间的等效阻抗或导纳的计算

AD5933允许对寄存器设置来自定义DDS的起始频率、频率分辨率和扫描点数执行频率扫描。此外，还允许通过调节片内增益改变输出正弦波信号的峰峰值，以激励外部未知复阻抗。针对扫描中的每个频率点，器件都会进行一次DFT变换，算法如下:

式中:X（f）——信号在该频率点的能量;

x（n）——ADC的输出;

cos（n），sin（n）——DDS内核提供的频率为f的采样测试矢量。

计算复阻抗第一步为计算该点的DFT幅度，算法如下:

为将此值转换为复阻抗，必须乘以该芯片的增益系数。增益系数是在系统校准期间利用Vout和Vin引脚之间的已知阻抗算出。对AD5933进行相应的设置，选取校准阻抗为Rm，当DFT转换完成后可计算增益系数，计算增益系数的算法如下:

考虑到电容的容抗及电感的感抗会随频率的变化而变化，因此，增益系数也会随着频率的变化而变化。为提高系统测量准确度，采用两点频率校准的方法，即高频段和低频段分别取一个频率点，分别计算这两点增益系数，将这两点的增益系数求平均值作为系统的增益系数。算出增益系数之后，可对离子选择性电极间的等效阻抗或导纳即外部复阻抗进行测量计算，外部未知复阻抗计算方法如下:

2.2 鲜奶温度的测量

温度是影响表征鲜奶指标两大特征的重要因素，因此，文中在测量离子选择性电极间等效阻抗或导纳的同时对环境温度进行测量。温度测量电路设计如图3所示。

图3 温度测量电路

选择热敏电阻作为第一级运放电路的反馈电阻，由温度变化影响热敏电阻的阻值，进而影响第一级运放的电压放大倍数，通过第二级运放对电压值进一步放大，模拟电压值经A/D转换，由IIC接口送给STR710FZ2处理，ST R710FZ2根据接收数据计算环境温度。

2.3 鲜奶pH值的测量

鲜奶pH值对表征鲜奶质量两大特征有一定的影响，因此，本系统对鲜奶pH值进行测量，测量电路设计如图4所示。

图4 pH值测量电路

选择高输入阻抗的运放CA3140采集pH值输入信号，对该信号进行放大，模拟电压值经A/D转换，由IIC接口送给STR710FZ2处理。

STR710FZ2根据以上测得的离子选择性电极间的等效阻抗或导纳，综合考虑环境温度及鲜奶pH值，实现鲜奶奶质综合指标的快速检测。

3 实验测试结果

本实验对大量鲜奶样本进行测量，部分检测样本数据见表1。

表1 部分检测样本数据

测量结果表明，对纯鲜奶及掺入杂质的鲜奶进行测量，测量结果均在预期范围以内，吻合较好，满足设计指标要求。

4 结 语

文中设计的鲜奶奶质检测仪利用AD5933片内集成DDS内核的优势，对离子选择性电极间的等效阻抗或导纳测量电路设计简单且运行稳定。系统采用并行结构，以电路冗余为代价，提高测量速度，使测量时间不超过4 min。实验结果表明，电路设计及算法合理，可对鲜奶奶质综合指标进行快速检测。

[1] 李春.乳品分析与检测[M].北京:化学工业出版社，2008.

[2] 胡会利，李宁.电化学测量[M].北京:国防工业出版社，2007.

[3] 张和平.现代乳品工业手册[M].北京:中国轻工业出版社，2005.

[4] 苑文举，陈晓霞，蔡翔.基于VerilogHDL的新型DDS的结构设计[J].长春工业大学学报:自然科学版，2010，31（6）:697-700.

[5] 沈建华，姜宁.ST R711X系类ARM微控制器原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2006.

[8] 俞卞章.数字信号处理[M].兰州:西北工业大学出版社，2002.

[7] 张迎新.C8051F系列SOC单片机原理及应用[M].北京:国防工业出版社，2005.

[6] 沈建华.STR71x系列ARM微控制器原理与实践. [M].北京:北京航空航天大学出版社，2005.