2004
传统的制糖生产过程中，糖汁pH 值测量通 常采用比色法（借助于pH 试纸、试剂等）和电 位测定法（借助于pH 计）。pH 计测定的是电极 系统的电动势，多数采用金属氧化物电极系统（以 锑电极为主）和玻璃电极系统。
糖汁的碱度是由CaO 形成的，因此电极的表 面很容易被CaCO3 覆盖形成积垢，尤其是采用亚 硫酸法的甘蔗糖厂，电极的积垢速度及其垢(亚 硫酸钙)的硬度是非常惊人的。采用碳酸法的糖 厂，尽管电极的积垢情况没有亚硫酸法那样严 重，但是如果不进行有效的刷洗——机械刷洗或 化学清洗，电极系统将无法工作。糖汁pH 测量 的这一积垢特点给pH 的测量带来很大的困难。
例如，在采用玻璃电极时，糖厂必须在每班 用盐酸清洗一次，否则测量精度将受到严重影 响。玻璃电极具有灵敏度高、测量准确、不受干 扰因素影响等优点是在电极的薄膜部分必须始终 处于无垢的透明状态的条件下存在的。因此玻璃 电极在糖厂使用时必须进行频繁的清洗，因为玻 璃电极的机械强度很低，不能进行机械清洗，只 能采用频繁的酸洗法。这样一来，一方面经常损 坏电极，另一方面又促使电极加快疲劳和老化， 表现为反应不灵敏，并降低了使用寿命，增加了 使用成本。而目前在糖厂采用较多的金属氧化物 电极（钼、钨、锑）中，又以锑电极的应用较为 广泛，虽然它坚固便于机械清洗，但它抗干扰能 力差，电位不够稳定，所测的精度也较低。
为消除上述弊端，我们提出了一种新型的控 制方法——将基于DSP 的图像处理系统应用到糖 厂中和pH 值控制系统的设计中。目前的图像处 理多以图像卡的形式出现，并借助于微机系统高 处理速度和大存储容量来完成对图像的相关处理 工作，但同时带来了体积大、成本高、工作稳定 性差的缺点。对此，本方法中提出了一种完全的 “嵌入式”的实时图像处理系统，并进行了硬件 实现。该“嵌入式”的实时图像处理系统完全摆 脱了微机的束缚，在A/D、D/A 转换器、FIFO 双 端口RAM、同步动态RAM 等相关外围器件的协同 下，完成对图像的采集、处理以及显示等相关工 作，实现了“嵌入式”，并且具有体积小、成本 低、工作可靠等优点。
由DSP(Digital Signal Processor)及其外 围相关器件构成的图像处理系统要完成对糖厂中 和糖汁的图样的采集、分析以及数据的传输。该 系统包括数字处理单元（DSP）、数据缓存单元 （FIFO）、A/D 和D/A 转换单元、动态存储单元 （SDRAM）、逻辑控制单元（PLD）和CCD(charge coupled device)摄像头等。其结构如图1 所示， 其中空心线代表数据和程序通道，实线代表控制 信号。
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图1 图像处理系统硬件原理图 |
数据处理的核心部分是TI 公司的定点数字 信号处理器──TMS320C6204, 它最高具有 2000MIPS 的峰值速度。CPU 内核具有2 个硬件乘 法器，6 个算术逻辑单元，各功能单元可以并发 工作，共享32 个32 位通用处理器。32 位外部 存储器接口（EMIF）可以方便地、无缝地与多种 类型的存储器件连接。2 个多通道缓冲口（McBSP）, 不仅可以完成标准串口的全双工串行通讯，还支 持多种以下的直接接口：32 位的扩展总线（XB） 支持与异步外设、异步/同步FIFO、PCI 桥以及 外部主控器件等的接口。
采样后的数字信号进入有先进先出器件 FIFO（First in First out）构成的数据缓冲区， 当存到一定数量时通过DSP 的直接存储器访问方 式（DMA）,在不涉及CPU 操作的情况下将FIFO 中的数据直接读入存储区，同时DSP 可以在片内 的RAM 中处理数据，通过这种方式就能实现数据 采集和数据处理的同步进行。
从数据处理的速度方面考虑，在A/D 选型时 可选用ANALOG DEVICES 公司的AD9844A,它的采 样频率可以达到20MSPS,在D/A 选型时可选用TI 公司的THS8133，3 路10 位转换器，其最高转换 速度为80MSPS。
在信息存储方面，采用HYNIX 公司的同步动 态RAM ──SDRAM, 它的最高工作速度可以达到 143MHz,容量可以达到64Mbits。
图2 是初步设想的pH 值的控制系统的总体 原理图，该系统主要包括2 个控制系统：图像处 理系统和单片机控制系统。另外，还有稳定的光 源、机械推杆、采样瓶、执行机构和显示器等， 空心箭头代表实际流向，实心箭头代表信号传输 方向。
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图2 pH 控制系统总体原理图 |
根据光学上的三基色原理，自然界几乎所有 的颜色都可以由R（红）G（绿）B（蓝）3 种基 本颜色按一定比例（ 三色比） 叠加而成， 即 Y=aR+bG+cB,其中a,b,c 均为系数，Y 为任意的 颜色。
因此，糖汁的pH 值必定与相应颜色的三色 比相对应，即某一pH 值必定对应一个三色比。 通过大量实验可以验证出一个准确的参照标准： pH 值──三色比。当然，对于不同的试剂，这个 标准也不同。
对于我们所设计的这套系统：采样的糖汁在 机械推杆的作用下从中和反应器流到采样瓶中， 此时糖汁的颜色在光源的照射下经过CCD 摄像头 （前面有遮光片，可以让红、绿、蓝3 种光分别 进入图像处理系统）传到图像处理系统中；点滴 试剂后，发生变化的颜色再次传到图像处理系统 中。前后颜色的变化对应着相应的三色比的变 化，前后2 次颜色比较后的三色比就对应着所采 样的糖汁的pH 值。图像处理系统对采样的图像 分析处理后会将此pH 值对应的信号传给单片 机，然后由单片机根据pH 值的变化去控制执行 机构，加大或减小石灰的加入量，从而将中和汁 的pH 值控制在6.9～7.1 之间。由于采样糖汁是 间歇式的，当不需检测时，采样出的糖汁会在机 械推杆的作用下流进中和汁中。这里可以用一个 流程图来表示这个控制过程（见图３）。
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图3 糖汁pH 控制过程 |
将基于DSP 的图像处理系统应用到糖厂的中 和pH 值的控制系统中,避免了检测电极的频繁清 洗和标定的问题，避免了人为因素造成的损失， 同时也提高了糖产品质量和经济效益。由于pH 值的连续检测与控制对化工、水处理等反应的进 行和环境保护具有十分重要的意义,因此,这种新型的pH 值控制系统的应用前景是非常广阔的。
| [1] | Tms20C6204 Fixed-Point Digital Sigmal Processor.Texas Instruments Incorporated,2001 |
| [2] | 姚海根.图像处理.上海:上海科学技术出版社,2000 |
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| [4] | Complete 12-bit 20 MSPS CCD Signal Processor AD9844A Data Sheet.Analog Devices Incorporated,2000 |
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| [7] | Sony Co1or Di splay.SONY Inc,1997 |
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