基于農產品聲學特性的信號處理模塊設計

高海寧，袁雷明，孫 力，蔡健榮

（1.鎮江格瑞特儀器設備有限公司 江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學 食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013；）

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

由于基于敲擊產生的信號較弱，受環境影響大，當前研究雖考慮了對聲學信號進行濾波處理，但卻未能有效濾除環境噪聲及直流信號等干擾。針對當前研究不足，文中提出適用于農產品聲學特性檢測系統的信號調理電路模塊。應用雙端輸入增強信號的穩定性，通過帶通濾波與信號放大處理，濾除環境噪聲，并對信號模擬量進行放大，供后續處理。

1 基于農產品聲學特性的檢測流程

自行研發了一套基于DSP（數學信號處理器，TMS320F 2812）的農產品聲學檢測系統，通過采集并分析敲擊響應信號，實現農產品品質的實時在線檢測。系統檢測流程如圖1所示，實現過程為：檢測對象在水平傳送的生產線上邊滾動邊向前運動，在傳送帶支架上有多個激振點，每個檢測對象通過一次生產線需經歷多點敲擊，這樣可盡可能多地獲取檢測對象聲學信息。軌道上安裝一對紅外觸發器，檢測對象經過時，產生一個電壓信號，驅動電磁鐵帶動敲擊棒執行敲擊命令，同時紅外觸發開啟DSP系統，使DSP系統處于工作狀態。檢測對象表面受到自動敲擊后發出振動響應信號，拾音器采集聲學信號經調理電路后進入DSP系統，并由DSP自帶的A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號。在DSP軟件系統內設置閾值觸發，當所得信號判斷為該檢測對象特有的信息時，即將采集的信號進行存儲和處理，并對信號進行快速傅立葉變化（FFT），將信號從時域空間轉換到頻率空間。

圖1 基于DSP農產品聲學信號檢測系統流程圖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 聲學信號處理流程

農產品聲學信號的檢測受到眾多外部因素的干擾，影響DSP處理系統的計算結果，控制聲學信號與提高信噪比就顯得尤為重要。為此設計了一套聲學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信號，再通過拾音器將聲音信號轉變成電壓信號，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行濾波，最后將電壓調整到1～2.5 V之間，進入DSP信號處理系統。

2.2 音頻信號差分電路設計

單端信號指的是用一個線傳輸與地之間的電壓差信號，但是由于地面會產生一定的電壓波動，這會影響單端信號的質量，因此抗干擾性比較差。在設計中，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的信號，傳輸的是兩根信號之間的電平差。因為兩個信號都是相對于地的，當地的電勢發生變化時，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差分信號，電路如圖2所示。

圖2 單端信號轉差分信號電路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，而音頻放大器產生單路信號，因此，需要設計阻抗匹配電路實現接口連接。假設拾音器產生信號為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，即可認為放大器負端輸入信號為Asint，放大器正端輸入信號為2Asint，這構成了差分電路的輸入，輸入差為Asint，與拾音器信號相位相等，實現了拾音器信號的放大，并消除了共模干擾。

2.3 音頻放大電路設計

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計，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越性能提供專業的微型話筒信號放大。

音頻信號放大電路如圖3所示，設計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，還設計有開關用來使能與關閉幻象電源。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行了保護。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）將直流輸出電壓調節為0 V，對音頻信號不會產生任何影響。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 音頻濾波電路設計

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行處理。系統設計了巴特沃斯帶通濾波器，結合具有高輸入阻抗和負載能力很強的高運能放大器OPA134，最后將電壓調整到1－2.5 V之間，輸送入DSP系統，供后續處理TMS320F2812開發板自帶有16路的A/D轉換器進行采樣。

巴特沃斯帶通濾波器如圖4所示，濾波器的設計借助于FilterLab2.0，將濾波器通帶頻率為1 200～6 800 Hz。隨著電路階數n的增加逐漸向理想逼近[8]，當電路階數設置為4階時能達到最好的效果，其頻率響應曲線如圖5所示。在帶通濾波器之后還設置了無源濾波，將信號中的直流部分濾除，穩壓管的作用是保護DSP的AD轉換器，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曲線Fig.5 Frequency response curve of band-pass filter

3 結束語

文中提出了適用于農產品聲學特性檢測系統的信號調理電路，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計，濾除環境噪聲以及直流信號，并對聲學信號模擬量進行放大，提高聲學信號的信噪比，簡化后續數字信號處理，以提高檢測效果。

[1]Diezma-Iglesias B，Ruiz-Altisent M，Barreiro P.Detection of Internal Quality in Seedless Watermelon by Acoustic Impulse Response[J].Biosystems Engineering，2004，88 （2）:221－230.

[2]Elster R T，Goodrum J W.Detecting of cracks in eggs using machine vision[J].Transactions of the ASAE，1991，34（1）:307－312.

[3]Goodrum J W.Elster RT.Machine vision for crack detection on rotation eggs[J].Transactions of the ASAE，1992，35（4）:1323－1328.

[4]林顥.基于敲擊振動、近紅外光譜和機器視覺的禽蛋品質無損檢測研究[D].鎮江：江蘇大學，2010.

[5]王書茂，焦群英，籍俊杰.西瓜成熟度無損檢驗的沖擊振動方法[J].農業工程學報，1999，15（3）:241－245.WANG Shu－mao，JIAO Qun－ying，JI Jun－jie.An impulse response method of nondestructive inspection of the ripeness of watermelon[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Ezngineering，1999，15（3）:145－151.

[6]Wang J， Jiang RS， Yu Y.Relationship between dynamic resonance frequency and egg physical properties[J].Food Research International，2004（37）:45－50.

[7]Diezma－Iglesias B， Valero C， García－Ramos FJ， et al.Monitoring of firmness evolution of peaches during storage by combining acoustic and impact methods[J].Journal of Food engineering，2006（77）:926－935.

[8]李剛，林凌.現代測控電路[M].北京：高等教育出版社，2003.