基于农产品声学特性的信号处理模块设计

摘要：声学检测技术以其价格低廉、信号量丰富等优势广泛应用与农产品无损检测。但由于其抗干扰能力较差，容易引入诸多干扰信息，影响农产品声学检测结果。因此，本文提出了适用于农产品声学特性检测系统的信号调理电路，通过差分电路、音频放大电路和带通滤波器等硬件电路提高声学信号的信噪比，简化后续数字信号处理，提高检测效果。
关键词：农产品；无损检测；声学技术；信号处理

    基于农产品声学的无损检测方法是指农产品在外界力的激励作用下的响应信号分析特性及其本身的声阻抗与固有频率等，反映了声波与农产品相互作用的基本规律。从振动力学角度看，当农产品表面强度发生变化时，其结构刚度和阻尼系数将随之变化，必然会反映到其模态固有频率和阻尼比，利用这种敲击振动响应信号特性的差异，可区分农产品的硬度及内部品质。王书茂(1999)研究基于声学的冲击振动方法检测西瓜成熟度。Wang等(2004)用木制小球单点敲击鸡蛋小头，鸡蛋经敲击激励后获取时域特性信号。Diezma-Iglesias等(2006)通过敲击振动响应信号分析检测不同储藏期桃子的成熟度，发现不同成熟度的桃子，敲击振动响应信号脉冲信号有明显的区别。
    由于基于敲击产生的信号较弱，受环境影响大，当前研究虽考虑了对声学信号进行滤波处理，但却未能有效滤除环境噪声及直流信号等干扰。针对当前研究不足，文中提出适用于农产品声学特性检测系统的信号调理电路模块。应用双端输入增强信号的稳定性，通过带通滤波与信号放大处理，滤除环境噪声，并对信号模拟量进行放大，供后续处理。

1 基于农产品声学特性的检测流程
    自行研发了一套基于DSP(数学信号处理器，TMS320F2812)的农产品声学检测系统，通过采集并分析敲击响应信号，实现农产品品质的实时在线检测。系统检测流程如图1所示，实现过程为：检测对象在水平传送的生产线上边滚动边向前运动，在传送带支架上有多个激振点，每个检测对象通过一次生产线需经历多点敲击，这样可尽可能多地获取检测对象声学信息。轨道上安装一对红外触发器，检测对象经过时，产生一个电压信号，驱动电磁铁带动敲击棒执行敲击命令，同时红外触发开启DSP系统，使DSP系统处于工作状态。检测对象表面受到自动敲击后发出振动响应信号，拾音器采集声学信号经调理电路后进入DSP系统，并由DSP自带的A／D转换器将模拟信号转换为数字信号。在DSP软件系统内设置阈值触发，当所得信号判断为该检测对象特有的信息时，即将采集的信号进行存储和处理，并对信号进行快速傅立叶变化(FFT)，将信号从时域空间转换到频率空间。

2 信号采集与处理模块
2．1 声学信号处理流程
    农产品声学信号的检测受到众多外部因素的干扰，影响DSP处理系统的计算结果，控制声学信号与提高信噪比就显得尤为重要。为此设计了一套声学信号的采集与处理模块，主要由拾音器采集电路、信号放大电路和带通滤波器组成，其主要功能为获取敲击响应信号，再通过拾音器将声音信号转变成电压信号，通过信号放大电路将采集较弱的电压信号进行放大，由于信号采集中存在噪声，采用带通滤波器对信号进行滤波，最后将电压调整到1～2．5 V之间，进入DSP信号处理系统。[!--empirenews.page--]
2．2 音频信号差分电路设计
    单端信号指的是用一个线传输与地之间的电压差信号，但是由于地面会产生一定的电压波动，这会影响单端信号的质量，因此抗干扰性比较差。在设计中，音头的输出信号采用差分方式。差分信号指的是用两根线传输的信号，传输的是两根信号之间的电平差。因为两个信号都是相对于地的，当地的电势发生变化时，两个信号同时浮动，差分两根线之间的电压变化就会变小。拾音器输出信号的单端信号转差分信号，电路如图2所示。

    由于放大电路的输入信号为双输入及平衡式差分信号，而音频放大器产生单路信号，因此，需要设计阻抗匹配电路实现接口连接。假设拾音器产生信号为sint，则R2-6左端信号为sint，右端信号为sint，E2-2右端信号为sint，R2-7左端信号为2sint，即可认为放大器负端输入信号为A sint，放大器正端输入信号为2Asint，这构成了差分电路的输入，输入差为Asint，与拾音器信号相位相等，实现了拾音器信号的放大，并消除了共模干扰。
2．3 音频放大电路设计
    INA217是TI公司的一款低噪声、低失真的音频放大器，具有电流反馈电路的设计，可用于低电平音频信号放大，如对称低阻微型话筒信号放大。INA217具有低噪声和宽频带，独特的失真消除电路把失真减小到极低水平。差分输入、低噪声和低失真度这些优越性能提供专业的微型话筒信号放大。

    音频信号放大电路如图3所示，设计中所用的音频采集器是电容式，在放大电路中提供一个48 V的幻象电源，R3-1和R3-2为幻象电源提供了一个电流通路，还设计有开关用来使能与关闭幻象电源。E3-2和E3-3 2个电容将幻象电源和INA217输入电路隔离。4个1N4148的接入对静电释放和热插拔进行了保护。R3-4和R3-5为INA217提供了输入偏置电流。在反馈电路中的U3-2(OPA137)将直流输出电压调节为0 V，对音频信号不会产生任何影响。增益通过固定电阻R3-6和可变R3-7确定，R3-6决定了放大电路的最大增益。[!--empirenews.page--]
2．4 音频滤波电路设计
    由于拾音器输出信号有噪音干扰信号获取，需要通过滤波器对信号进行处理。系统设计了巴特沃斯带通滤波器，结合具有高输入阻抗和负载能力很强的高运能放大器OPA134，最后将电压调整到I-2．5 V之间，输送入DSP系统，供后续处理TMS320F2812开发板自带有16路的A／D转换器进行采样。

    巴特沃斯带通滤波器如图4所示，滤波器的设计借助于FilterLab2．0，将滤波器通带频率为1 200～6 800 Hz。随着电路阶数n的增加逐渐向理想逼近，当电路阶数设置为4阶时能达到最好的效果，其频率响应曲线如图5所示。在带通滤波器之后还设置了无源滤波，将信号中的直流部分滤除，稳压管的作用是保护DSP的AD转换器，使AD采样的电压都为正电压。

3 结束语
    文中提出了适用于农产品声学特性检测系统的信号调理电路，通过差分电路、音频放大电路和带通滤波器等硬件电路的设计，滤除环境噪声以及直流信号，并对声学信号模拟量进行放大，提高声学信号的信噪比，简化后续数字信号处理，以提高检测效果。