王劍鋒

(西安外事學院 信息工程實驗中心,陜西 西安710077)

基于LDC1000電感到數(shù)字轉換器的金屬探測器

王劍鋒

(西安外事學院 信息工程實驗中心,陜西 西安710077)

電渦流傳感器以其獨特的優(yōu)點,廣泛應用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)。LDC1000實現(xiàn)了電渦流傳感器參數(shù)電感量到數(shù)字量的轉換,提供了小封裝、低成本的解決方案,通過SPI接口連接MCU,可以測得金屬物與其線圈的空間位置關系。通過對LDC1000使用的分析,詳細描述了一款自主移動的金屬物探測器的實現(xiàn)過程。系統(tǒng)方案經(jīng)濟、靈活,可移植性強,對于類似項目有一定的借鑒意義。文中主要包括系統(tǒng)構成,LDC1000使用方法,寄存器讀寫控制等。

艾研LDC1000；電渦流傳感器；金屬探測器；MSP430

LDC1000是世界首款電感到數(shù)字轉換器。只需外接一個PCB線圈或者自制線圈就可實現(xiàn)非接觸式電感檢測,而且可以測試外部金屬物體與線圈的空間位置關系。檢測原理是利用大學物理中的電磁感應原理。在印刷電路板線圈或自制的線圈中加一個交變電流,其線圈的周圍就會產(chǎn)生交變電磁場,此時如果有金屬物體處于這個電磁場中,則會在金屬物體表面產(chǎn)生感應電流,感應電流的大小是線圈與金屬物的距離,大小、成分的函數(shù)［1］。利用這個特性配以外部設計的金屬物體可以方便實現(xiàn)水平或垂直距離、位移、振動的測量,可廣泛應用于相關領域。

LDC1000是通過調(diào)節(jié)振動器的幅度同時檢測LC的諧振損耗來實現(xiàn)阻抗和諧振頻率的測量。通過檢測注入LC諧振單元的能量計算出Rp（等效并聯(lián)電阻）,轉換為數(shù)字量,其數(shù)值和Rp的值成反比。

LDC1000支持寬范圍的LC組合5 kHz到5 MHz諧振頻率,Rp的范圍支持798 Ω到3.93 MΩ［1］,此范圍即為器件內(nèi)部ADC的信號范圍,確定其分辨率。等效并聯(lián)電阻Rp與ADC碼值成反比,當金屬物體離線圈最近的時候渦流最大,損耗也最大。

1 系統(tǒng)構成

早期金屬探測系統(tǒng)以 8位51系列單片機作為控制核心,其硬件電路大體分為2部分［2］,一部分為線圈振蕩電路,一般包括:多諧振蕩電路、放大電路和探測線圈；另一部分為控制電路,包括:霍爾元件、可編程放大電路、峰值檢波電路［3］、模數(shù)轉換器、單片機、LED顯示電路、聲音報警電路及電源電路等。由于系統(tǒng)復雜,精確度經(jīng)常達不到,而LDC1000評估板中集成了振蕩電路、檢測電路、模數(shù)轉換器、寄存器等,使用起來就方便很多,減少了很多不可控的調(diào)試環(huán)節(jié),系統(tǒng)構成比較簡單,測試精度提高。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Systematic diagram

2 總體設計方案

利用LDC1000可將測量量變換為距離的特點,可將其放置在一個能夠自主移動的設備上,就可以完成一定范圍內(nèi)金屬物體的探測。自主設備需完成自動定位功能,即將LDC1000所獲得的數(shù)據(jù)進行對比處理后輸出,控制自主設備的電機運轉,而最終停止在金屬物的附近或上方。本設計整體方案采用TI公司的MSP430微處理器作為控制器與之通過SPI口連接,通過讀取LDC1000的固定寄存器獲得相關數(shù)據(jù)經(jīng)處理后驅(qū)動電機在50 cm*50 cm平面內(nèi)移動尋跡,如圖2所示。

圖2 設計方案圖Fig.2 Design diagram

3 硬件構成

3.1 控制器

德州儀器的MSP430系列是一種超低功耗微控制器系列,采用16位的體系結構,16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器,典型應用為傳感器系統(tǒng)。MSP430-14系列內(nèi)置16位定時器,12位 A/D轉換器,UART、SPI等。本設計中采用MSP430F149,通過SPI口與LDC1000連接［4］。

3.2 與LDC1000的連接

LDC1000與MSP430f149的連接采用四線制SPI連接方式,通過SPI串行總線實現(xiàn)對LDC1000的控制,完成時序定義和數(shù)據(jù)讀取［5］,在此通信過程中,LDC1000為從機（Slave）。MSP430f149其中引腳 P3.0接 LDC1000的 CSB；P3.1接SDO；P3.2接SDI；P3.3接SCLK。

3.3 移動的實現(xiàn)

處理器輸出信號通過H橋驅(qū)動電路［6］,完成電機1（X軸）和電機2（Y軸）的控制。根據(jù)電機負載,選擇不同的驅(qū)動晶體管,本設計中使用8 050和8 550對管實現(xiàn),采用+12 V直流電驅(qū)動。測試中電機運轉正常,控制較為靈敏。通過對設計要求分析,在規(guī)定的時間內(nèi)完成場內(nèi)任意點的查詢,選擇減速直流電機（80 r/min）。

為保證整個探測區(qū)域,采用X-Y軸系統(tǒng)完成,電機1驅(qū)動滑塊完成X軸運動（如圖2所示）,電機2固定在電機1的滑塊上,完成Y軸的運動,再將主控制器固定在滑塊2上, LDC-1000傳感器則盡量與玻璃平面靠近,采集相應數(shù)據(jù)。顯示部分采用LCD12864,可以將相應寄存器數(shù)據(jù)顯示以便觀察。當找到金屬物體時系統(tǒng)通過指示燈和蜂鳴器報警提示。

4 軟件實現(xiàn)

4.1 思路與流程

啟動后,先對LDC1000中特殊寄存器賦值,即設定上限和下限,并留出冗余,然后啟動滑塊移動傳感器,在所經(jīng)過的地方對對Rp相應寄存器的數(shù)據(jù)讀出并進行數(shù)據(jù)的比較,去發(fā)現(xiàn)數(shù)值的變化情況,以此方式來逐次逼近金屬物,從而最終停止在金屬物附近或上方。程序執(zhí)行過程如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow diagram

4.2 程序?qū)崿F(xiàn)

LDC1000中的寄存器地址已在其頭文件LDC1000_cmd.h中定義,編程時將其包含即可。在數(shù)據(jù)處理中,用戶關心的Rp和Frequency值,Rp可推算出金屬的距離,利用Rp值的變化完成金屬物的定位。Rp占用2個寄存器,可通過保持片選信號有效,進行連續(xù)讀寫,此時寄存器地址自動增加。

初始化程序:

對函數(shù)進行調(diào)用時,函數(shù)參數(shù)值的選定應根據(jù)LDC1000的SPI通信協(xié)議。在主機與從機通訊時遵循以下步驟:片選信號置零；MSP430通過SDI線向LDC1000寫入訪問寄存器地址,其中最高位0表示寫入,1表示讀出,剩余7位為寄存器的地址。

4.3 傳感器數(shù)據(jù)讀取

不同的測試對象和距離會產(chǎn)生不同的損耗,其Rp的范圍設置也不同,應用中需要配置寄存器Rp_Min和Rp_Max,如果超出范圍會被鉗位,但也不能設置為極限值,范圍過大,造成內(nèi)部ADC精度無用。

4.4 實現(xiàn)結果

在測試過程中發(fā)現(xiàn)傳感器距金屬物體的距離較近時,顯示值才會有明顯的變化,而多數(shù)情況下都屬于超出范圍而被鉗位。而此需要更新程序的算法,還有就是更換自制電感線圈。

LDC1000對濾波電容的要求苛刻,穩(wěn)定性好、壓電噪聲低,最優(yōu)值在20 pF～100 nF之間,由LC的諧振時常數(shù)決定。電感可選用帶磁芯或空心電感,可借助示波器找到最佳電容值。

5 結束語

本設計采用LDC1000測試板實現(xiàn)了一款自主移動的金屬物探測器,在2014年TI杯陜西省賽區(qū)中獲得三等獎。在之后對程序上進一步完善,可在更快的時間內(nèi)完成對固定區(qū)域金屬物的識別與尋找。

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The metal detector based on LDC1000 sensor

WANG Jian-feng
（Information Engineering Experiment Center,Xi’an International University,Xi’an 710077,China）

Eddy current sensor is widely used in electric power，petroleum，chemical，metallurgical and other industries with its unique advantages.The LDC1000 realize the conversion of eddy current sensor parameters of inductance to digital，provides a solution of small package，low cost，through the SPI interface connect to the MCU，can be spatial location relationship between the measured metal and coil.Through the analysis of the use of LDC1000，a detailed description of the implementation process of metal detector a autonomous mobile.The scheme of system economy，flexibility，portability，and has certain reference significance for similar projects.In this paper，mainly including system structure，using the method of LDC1000，register read and write control.

AY-LDC1000；eddy current sensor；the metal detector；MSP430

TN382

：A

：1674-6236（2015）18-0167-03

2014-12-23稿件編號：201412224

王劍鋒 （1981—）,男,陜西西安人,講師,工程師。研究方向:電氣自動控制,計算機控制技術。