牛奶作為一種有益人體健康的綠色飲品，其安全和質(zhì)量檢測，需要一種能快速檢測牛奶品質(zhì)的簡便儀器，為人們的健康安全把關(guān)。國外乳品檢測儀器都可較快的測量乳品的脂肪、蛋白質(zhì)、乳糖等多種成份，自動化程度很高。但是也存在許多缺點：體積較大，儀器的操作和保養(yǎng)維護比較復雜，時間穩(wěn)定性不高，經(jīng)過一段時間就需要用新標準樣品標定曲線，最主要的是此類儀器成本較高，售價高昂(百萬元人民幣以上)，不利于在中國普及。目前國內(nèi)擁有該儀器的公司并不很多，而且由于國外的售后服務(wù)不便，許多儀器因而得不到及時維修與保養(yǎng)而廢棄^[1]。
　　智能型牛奶質(zhì)量快速檢測儀，就是一種能解決這一難題的簡易實用的儀器。它采用現(xiàn)代最新的超聲檢測技術(shù), 對檢測牛奶樣品進行無損在線檢測。檢測儀基于先進的32位Samsung S3C44B0X(集成ARM7TIMI內(nèi)核)微處理器和實時操作系統(tǒng)μCLinux研制而成。在時間精確測量上，采用了復合鎖相環(huán)測時技術(shù)，提高了測量的精度和穩(wěn)定度，所以整個檢測儀集高技術(shù)、高精度和低成本于一體，具有很高的實用性。
1 檢測儀硬件系統(tǒng)組成
　　整個檢測系統(tǒng)是以S3C44B0X微處理器為核心，鍵盤為控制信號輸入設(shè)備，LCD和微型打印機為輸出設(shè)備，將檢測到的牛奶數(shù)據(jù)和信息以圖形和相關(guān)數(shù)據(jù)的形式顯示和打印出來。檢測超聲波信號受電壓信號激發(fā)，經(jīng)過超聲發(fā)射換能器將電壓以超聲波的形式輻射出去，在牛奶液媒質(zhì)中傳播。接收換能器將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，經(jīng)過放大、濾波、整形后成為可以被檢測到的電信號^[2]。由于牛奶檢測的溫度對超聲波在奶液中的傳播速度有影響，應保持牛奶液在樣品管中被檢測時是恒定在某個溫度，因此檢測儀配有獨特設(shè)計的恒溫電路和溫度傳感器電路。由于超聲在液體媒介中傳播一般為900m/s~1900m/s，而且樣品管的長度有限，所以超聲在樣品管中的時間很短，而牛奶中某些物質(zhì)與傳播時間的精確性有很緊密的函數(shù)關(guān)系^[3]，檢測儀采用鎖相環(huán)測時技術(shù)可以解決這個難題，將時間精確到10^-7s以內(nèi)。因為具有SoC(片上系統(tǒng))功能的微處理器芯片S3C44BOX集成了豐富的外圍功能模塊，減少了許多外圍器件，整個系統(tǒng)的硬件電路十分緊湊而且功耗較低。如圖1所示。

2 Samsung S3C44BOX簡介
　　ARM7TDMI是ARM(Advanced RISC Machine)公司最早為業(yè)界普遍認可且得到廣泛應用的處理器，隨著ARM技術(shù)的發(fā)展，它已是目前最低端的ARM核。ARM7TDMI是從最早實現(xiàn)了32位地址空間編程模式的ARM6核發(fā)展而來的，可在低于5V的電源電壓下可靠穩(wěn)定地工作，增加了64位乘法指令、支持片上調(diào)試、Thumb指令集和EmbededICE片上斷電和觀察點。
　　Samsung S3C44BOX微處理器片內(nèi)采用0.25μm CMOS工藝制造，其主要的功能在ARM7TDMI的基礎(chǔ)上增加了8KB的Cache； 在外部擴充存儲器控制器；LCD控制器，且?guī)в幸粋€LCD專用DMA通道；看門狗定時器；71個通用可編程I/O口，8個外部中斷源；功能控制模式：正常、低功耗、休眠和停止；8路10位ADC。并采用一種新的三星ARM CPU嵌入總線結(jié)構(gòu)SAMBA2,最高頻率可達66MHz。
3 超聲發(fā)射與接收電路" title="接收電路">接收電路
3.1 超聲檢測原理
　　超聲檢測技術(shù)就是發(fā)射-接收技術(shù)，利用超聲波在媒質(zhì)中傳播特性(聲速、聲衰減、聲阻抗等)來獲取媒質(zhì)中的一些非聲學特性信息(如濃度、密度、硬度、彈性、溫度等)。超聲波分析依靠超聲波特性與媒質(zhì)組成之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系得以實現(xiàn)，這些關(guān)系的形成就需要測量穿過一系列已知組成成份樣品的超聲波特性，找到適合實驗結(jié)果的經(jīng)驗公式及超聲波穿過牛奶液時的理論公式。在研究中，結(jié)合理論和經(jīng)驗公式來實現(xiàn)超聲波速度和組成成份的公式關(guān)系。
　　穿過特定組織成份的超聲波的速度跟組織成份的物理特性有關(guān)，可以用如下等式表述：
　　
　　式中：c——超聲波速度；ρ——液體密度；κ——液體的絕熱壓縮率" title="壓縮率">壓縮率。
　　等式(1)適用于可以近似被認為液體的材料，也即是衰減系數(shù)遠小于體積系數(shù)(ω/C)，此公式適用于牛奶成份的測定。
　　多相物質(zhì)測定最簡單的方式為Wood所提出，而Urick用一個方程詳細闡述的，并以他的名字命名這個方程。這個方程重申了伍德方程，其相關(guān)性如下式：

　　Φ_i為混合物第i個組分的容積率。此方程被稱作均一的描述方程，因為每一相的性質(zhì)都是獨立于系統(tǒng)體系性質(zhì)。
　　對于牛奶液，就必須考慮其他成份對超聲波速度的影響，為了進一步近似正確結(jié)果，超聲波在復合成份中的特性可用下式表述：
　　
　　式中ρ_j，κ_j，Φ_j分別為組分各自的密度、絕熱壓縮率、成分j的質(zhì)量百分含量，混合物的絕熱壓縮率可以由密度和超聲波速度來表達(見等式1)。在假設(shè)變化成份的密度大約近似的情況下，等式(3)可以簡化為：
　　
　　等式(4)為一個簡化的方程，描述了材料超聲波特性與成份間的關(guān)系，等式(4)也比較容易實現(xiàn)，其只需要超聲波定位成份的速度即可。
3.2 超聲波發(fā)射與接收電路
　　檢測儀采用的是單脈沖法，將多諧振蕩器產(chǎn)生的單脈沖信號，經(jīng)過緩沖器和兩個功率三極管組成的達林頓復合管，可以增大其電流驅(qū)動能力。經(jīng)過脈沖升壓器升壓，將單脈沖電壓幅值升壓到120V，并使功率放大器的輸出阻抗與超聲換能器的負載阻抗匹配。最后發(fā)射超聲換能器獲得能量后以聲能的形式將超聲波輻射出去。
　　盡管發(fā)射部分的脈沖電壓比較高，但是超聲波經(jīng)過在牛奶液中傳播后，在接收端轉(zhuǎn)換成的電壓只有大約1V的左右，要對這樣微弱的信號進行信號檢測，使其達到能夠被檢測到的幅值，應對其進行必要的信號處理。通常接收電路由前置放大、帶通濾波、門限檢測電路組成。電路如圖2所示。

4 測時原理
　　超聲波聲速的測量精度關(guān)系到能否獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)細微的變化。因此高精度測量聲波傳播時間，并進行數(shù)據(jù)處理是檢測儀檢測精度的關(guān)鍵。按照聲學原理，聲波沿x方向傳播平面方程是：
　　
　　在x方向上任意兩點之間的振動相位與兩點間的距離有關(guān)。設(shè)兩點距離為s，聲傳播速度為vs，則相位差為：
　　
　　如果在系統(tǒng)中，能自動改變頻率以達到跟蹤超聲信號經(jīng)過延遲τ的輸入輸出相位差，并鎖定在n(2π)，則由下式可得到τ，
　　
　　式中n為正整數(shù)，表示在τ時間內(nèi)通過n個整數(shù)的周期。精確測量f和n后，τ就能準確表示出來了^[2]。這里以TI公司的TCL2932(PLL集成電路)為核心加上精密乘法器MPY634、積分器ADE7753和高速計數(shù)器和加法器來構(gòu)成測時系統(tǒng)，測時精度可以達到10^-7量級。具體時間測量示意圖如圖3所示。