基于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性的信號處理模塊設(shè)計(jì)

高海寧，袁雷明，孫 力，蔡健榮

（1.鎮(zhèn)江格瑞特儀器設(shè)備有限公司 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；）

基于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)的無損檢測方法是指農(nóng)產(chǎn)品在外界力的激勵作用下的響應(yīng)信號分析特性及其本身的聲阻抗與固有頻率等，反映了聲波與農(nóng)產(chǎn)品相互作用的基本規(guī)律[1]。從振動力學(xué)角度看，當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品表面強(qiáng)度發(fā)生變化時，其結(jié)構(gòu)剛度和阻尼系數(shù)將隨之變化，必然會反映到其模態(tài)固有頻率和阻尼比[2-3]，利用這種敲擊振動響應(yīng)信號特性的差異，可區(qū)分農(nóng)產(chǎn)品的硬度及內(nèi)部品質(zhì)[4]。王書茂 （1999）研究基于聲學(xué)的沖擊振動方法檢測西瓜成熟度[5]。Wang等（2004）用木制小球單點(diǎn)敲擊雞蛋小頭，雞蛋經(jīng)敲擊激勵后獲取時域特性信號[6]。Diezma-Iglesias等（2006）通過敲擊振動響應(yīng)信號分析檢測不同儲藏期桃子的成熟度，發(fā)現(xiàn)不同成熟度的桃子，敲擊振動響應(yīng)信號脈沖信號有明顯的區(qū)別[7]。

由于基于敲擊產(chǎn)生的信號較弱，受環(huán)境影響大，當(dāng)前研究雖考慮了對聲學(xué)信號進(jìn)行濾波處理，但卻未能有效濾除環(huán)境噪聲及直流信號等干擾。針對當(dāng)前研究不足，文中提出適用于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性檢測系統(tǒng)的信號調(diào)理電路模塊。應(yīng)用雙端輸入增強(qiáng)信號的穩(wěn)定性，通過帶通濾波與信號放大處理，濾除環(huán)境噪聲，并對信號模擬量進(jìn)行放大，供后續(xù)處理。

1 基于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性的檢測流程

自行研發(fā)了一套基于DSP（數(shù)學(xué)信號處理器，TMS320F 2812）的農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)檢測系統(tǒng)，通過采集并分析敲擊響應(yīng)信號，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的實(shí)時在線檢測。系統(tǒng)檢測流程如圖1所示，實(shí)現(xiàn)過程為：檢測對象在水平傳送的生產(chǎn)線上邊滾動邊向前運(yùn)動，在傳送帶支架上有多個激振點(diǎn)，每個檢測對象通過一次生產(chǎn)線需經(jīng)歷多點(diǎn)敲擊，這樣可盡可能多地獲取檢測對象聲學(xué)信息。軌道上安裝一對紅外觸發(fā)器，檢測對象經(jīng)過時，產(chǎn)生一個電壓信號，驅(qū)動電磁鐵帶動敲擊棒執(zhí)行敲擊命令，同時紅外觸發(fā)開啟DSP系統(tǒng)，使DSP系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。檢測對象表面受到自動敲擊后發(fā)出振動響應(yīng)信號，拾音器采集聲學(xué)信號經(jīng)調(diào)理電路后進(jìn)入DSP系統(tǒng)，并由DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在DSP軟件系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置閾值觸發(fā)，當(dāng)所得信號判斷為該檢測對象特有的信息時，即將采集的信號進(jìn)行存儲和處理，并對信號進(jìn)行快速傅立葉變化（FFT），將信號從時域空間轉(zhuǎn)換到頻率空間。

圖1 基于DSP農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)信號檢測系統(tǒng)流程圖Fig.1 Acoustic resonance analysis of agricultural products measurement system based on DSP

2 信號采集與處理模塊

2.1 聲學(xué)信號處理流程

農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)信號的檢測受到眾多外部因素的干擾，影響DSP處理系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，控制聲學(xué)信號與提高信噪比就顯得尤為重要。為此設(shè)計(jì)了一套聲學(xué)信號的采集與處理模塊，主要由拾音器采集電路、信號放大電路和帶通濾波器組成，其主要功能為獲取敲擊響應(yīng)信號，再通過拾音器將聲音信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，通過信號放大電路將采集較弱的電壓信號進(jìn)行放大，由于信號采集中存在噪聲，采用帶通濾波器對信號進(jìn)行濾波，最后將電壓調(diào)整到1～2.5 V之間，進(jìn)入DSP信號處理系統(tǒng)。

2.2 音頻信號差分電路設(shè)計(jì)

單端信號指的是用一個線傳輸與地之間的電壓差信號，但是由于地面會產(chǎn)生一定的電壓波動，這會影響單端信號的質(zhì)量，因此抗干擾性比較差。在設(shè)計(jì)中，音頭的輸出信號采用差分方式。差分信號指的是用兩根線傳輸?shù)男盘枺瑐鬏數(shù)氖莾筛盘栔g的電平差。因?yàn)閮蓚€信號都是相對于地的，當(dāng)?shù)氐碾妱莅l(fā)生變化時，兩個信號同時浮動，差分兩根線之間的電壓變化就會變小。拾音器輸出信號的單端信號轉(zhuǎn)差分信號，電路如圖2所示。

圖2 單端信號轉(zhuǎn)差分信號電路Fig.2 Circuit of Single-ended signal transmit to differential signal

由于放大電路的輸入信號為雙輸入及平衡式差分信號，而音頻放大器產(chǎn)生單路信號，因此，需要設(shè)計(jì)阻抗匹配電路實(shí)現(xiàn)接口連接。假設(shè)拾音器產(chǎn)生信號為sint，則R2－6左端信號為 sint，右端信號為 sint，E2－2右端信號為 sint，R2－7左端信號為2sint，即可認(rèn)為放大器負(fù)端輸入信號為Asint，放大器正端輸入信號為2Asint，這構(gòu)成了差分電路的輸入，輸入差為Asint，與拾音器信號相位相等，實(shí)現(xiàn)了拾音器信號的放大，并消除了共模干擾。

2.3 音頻放大電路設(shè)計(jì)

INA217是TI公司的一款低噪聲、低失真的音頻放大器，具有電流反饋電路的設(shè)計(jì)，可用于低電平音頻信號放大，如對稱低阻微型話筒信號放大。INA217具有低噪聲和寬頻帶，獨(dú)特的失真消除電路把失真減小到極低水平。差分輸入、低噪聲和低失真度這些優(yōu)越性能提供專業(yè)的微型話筒信號放大。

音頻信號放大電路如圖3所示，設(shè)計(jì)中所用的音頻采集器是電容式，在放大電路中提供一個48 V的幻象電源，R3－1和R3－2為幻象電源提供了一個電流通路，還設(shè)計(jì)有開關(guān)用來使能與關(guān)閉幻象電源。E3－2和E3－3 2個電容將幻象電源和INA217輸入電路隔離。4個1N4148的接入對靜電釋放和熱插拔進(jìn)行了保護(hù)。R3－4和R3－5為INA217提供了輸入偏置電流。在反饋電路中的U3－2（OPA137）將直流輸出電壓調(diào)節(jié)為0 V，對音頻信號不會產(chǎn)生任何影響。增益通過固定電阻 R3－6和可變 R3－7確定，R3－6決定了放大電路的最大增益。

圖3 音頻信號放大電路Fig.3 Circuit for a professional microphone input amplifier

2.4 音頻濾波電路設(shè)計(jì)

由于拾音器輸出信號有噪音干擾信號獲取，需要通過濾波器對信號進(jìn)行處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了巴特沃斯帶通濾波器，結(jié)合具有高輸入阻抗和負(fù)載能力很強(qiáng)的高運(yùn)能放大器OPA134，最后將電壓調(diào)整到1－2.5 V之間，輸送入DSP系統(tǒng)，供后續(xù)處理TMS320F2812開發(fā)板自帶有16路的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。

巴特沃斯帶通濾波器如圖4所示，濾波器的設(shè)計(jì)借助于FilterLab2.0，將濾波器通帶頻率為1 200～6 800 Hz。隨著電路階數(shù)n的增加逐漸向理想逼近[8]，當(dāng)電路階數(shù)設(shè)置為4階時能達(dá)到最好的效果，其頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。在帶通濾波器之后還設(shè)置了無源濾波，將信號中的直流部分濾除，穩(wěn)壓管的作用是保護(hù)DSP的AD轉(zhuǎn)換器，使AD采樣的電壓都為正電壓。

圖4 音頻信號帶通濾波電路Fig.4 Circuit of band-pass filter for audio signal

圖5 帶通濾波器頻率響應(yīng)曲線Fig.5 Frequency response curve of band-pass filter

3 結(jié)束語

文中提出了適用于農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性檢測系統(tǒng)的信號調(diào)理電路，通過差分電路、音頻放大電路和帶通濾波器等硬件電路的設(shè)計(jì)，濾除環(huán)境噪聲以及直流信號，并對聲學(xué)信號模擬量進(jìn)行放大，提高聲學(xué)信號的信噪比，簡化后續(xù)數(shù)字信號處理，以提高檢測效果。

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