張海瑞，彭旭鋒，梁 庭，洪應(yīng)平，曹 群，鄭庭麗，熊繼軍

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

LC諧振傳感器的信號檢測系統(tǒng)研究*

張海瑞，彭旭鋒，梁 庭，洪應(yīng)平，曹 群，鄭庭麗，熊繼軍*

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

根據(jù)LC諧振傳感器互感耦合系統(tǒng)的理論模型，設(shè)計(jì)了一種LC諧振傳感器信號檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括模擬部分、數(shù)字部分以及解算方法。模擬部分是通過混頻器提取諧振信息，再用低通濾波器（LPF）直流化輸出信號以方便數(shù)據(jù)采集。數(shù)字部分是完成信號采集及傳給上位機(jī)處理。解算方法是通過同步模擬部分的線性掃頻源與數(shù)字部分的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)從攜帶諧振信息的直流信號中獲取諧振頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠完整獲得LC諧振傳感器的測試信號，其性能穩(wěn)定，測量精度高，諧振頻率測量誤差小于3.5%。該系統(tǒng)有望運(yùn)用于LC傳感器信號無線測量的領(lǐng)域。

LC諧振傳感器；無線測量；諧振頻率；混頻器；LPF；信號采集

在很多特殊場合下應(yīng)用傳感器，不能直接接觸測量傳感器的信號［1］，特別是在一些高溫、高壓等惡劣環(huán)境，信號檢測結(jié)構(gòu)中暴露于高溫環(huán)境下的引線電參數(shù)會(huì)隨著高溫環(huán)境的保持發(fā)生退化，從而導(dǎo)致參數(shù)漂移，致使器件失效。LC諧振傳感器可以很好的解決這些問題，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由對壓力、溫度等敏感的電容和電感構(gòu)成的諧振電路，諧振電路內(nèi)部沒有有源器件，無需電池供電，主要靠諧振電路中的電感線圈耦合測試天線的磁場能，并轉(zhuǎn)化為電場能供其本身工作。測試天線可以無線讀取傳感器的電容變化引起的信號表征量（如測試端輸入阻抗的實(shí)部、相位等）的變化，從而得出變化后的諧振頻率，計(jì)算出電容的變化量就可得出壓力、溫度等參數(shù)的大小。該類傳感器被廣泛應(yīng)用于高溫環(huán)境的壓力測量［2-3］，濕度檢測［4］等領(lǐng)域。

由于惡劣環(huán)境的壓力、溫度等參數(shù)測試的需要，實(shí)現(xiàn)LC諧振傳感器的精確測量和實(shí)時(shí)監(jiān)測顯得尤為重要。設(shè)計(jì)LC諧振傳感器的信號檢測系統(tǒng)具有十分重要的意義。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀或阻抗分析儀測試天線端輸入阻抗的相位，可以對LC諧振傳感器的信號進(jìn)行拾?。?-6］，但網(wǎng)絡(luò)分析儀和阻抗分析儀體積大，不易攜帶，在實(shí)際工程環(huán)境中使用不便，且通過阻抗相位拾取到的傳感器諧振頻率受耦合系數(shù)的影響［7］。

本文基于LC諧振傳感器互感耦合系統(tǒng)的理論模型，闡述了一種LC諧振傳感器信號檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)主要由3部分組成：①模擬部分：測試模塊、信號調(diào)理模塊；②數(shù)字部分：控制模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊及通信模塊；③解算方法。

1 檢測電路基本原理

LC諧振傳感器互感耦合系統(tǒng)的等效電路如圖1所示，其中U1為信號源，L1、R1分別為測試天線及天線的電阻，C1為串聯(lián)電容，L2、C2分別為傳感器端的電感線圈及可變電容，R2是LC諧振回路中的寄生電阻，M是測試天線與傳感器端電感線圈的互感系數(shù)。圖中測試天線端的輸入阻抗Zi為［2］：

圖1 LC諧振傳感器互感耦合系統(tǒng)的等效電路

式中：f為信號源的信號頻率，設(shè)LC諧振傳感器及測試天線端的諧振頻率分別為fO、f1，LC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為Q，測試天線和傳感器端電感線圈的耦合系

由上述分析可看出輸入阻抗與傳感器的諧振頻率有一定的關(guān)系，通過測量輸入阻抗可得出傳感器的諧振頻率。

本文采用圖2所示的檢測電路來提取傳感器的諧振頻率信息。信號源輸出掃頻信號U1，該信號與參考電壓信號Uref進(jìn)行混頻、濾波，輸出電壓信號Uout。從圖中分析可以得出，參考電壓信號Uref為：

式中：Zi為測試天線端的輸入阻抗，則混頻后的輸出信號Ur為：

由式（2）～式（4）可以看出，混頻后的輸出信號Ur與傳感器的諧振頻率fO有一定的關(guān)系，該信號經(jīng)過低通濾波電路后輸出直流電壓信號Uout、Uout的信號波形中攜帶了傳感器的諧振頻率信息，但這個(gè)信息無法直接獲取，需要間接解算具體見解算方法。

圖2 檢測電路基本原理框圖

2 硬件電路實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為5個(gè)模塊：測試模塊、信號調(diào)理模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊及通信模塊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 信號檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

系統(tǒng)的具體工作原理：測試模塊輸出的模擬測試信號經(jīng)信號調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理后送入AD。在FPGA的控制下，一次掃頻的開始與A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的開始同步，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)FIFO緩存后，通過USB接口上傳給上位機(jī)。上位機(jī)用來檢測AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)、發(fā)送狀態(tài)指令及讀取分析數(shù)據(jù)。

2.1 檢測電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2所示的檢測電路原理框圖，本設(shè)計(jì)選用AD831來實(shí)現(xiàn)混頻功能。AD831是一款低失真寬動(dòng)態(tài)范圍的單片有源混頻器，采用雙差分模擬乘法器混頻電路，輸出方式多，且使用靈活方便。AD831在下混頻電路中有兩種工作模式，這兩種工作模式由工作的電源決定，可以單電源供電，也可以雙電源供電。由于AD831用于下混頻工作時(shí)，多采用雙電源工作模式，所以本設(shè)計(jì)采用雙電源供電，并根據(jù)AD831用于下混頻工作時(shí)的典型電路［9］設(shè)計(jì)圖4所示的檢測電路。

圖4 檢測電路

掃頻信號與參考電壓信號分別輸入到AD831的本振輸入端（LON）和射頻輸入端（RFN）進(jìn)行混頻，混頻信號經(jīng)過截止頻率為1 kHz的一階RC低通濾波電路濾除無用信號，保留有用信號。

2.2 信號調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

檢測電路輸出的測試信號比較小，而且有負(fù)電壓信號，因此需要對測試信號進(jìn)行調(diào)理，使得AD的采集輸入信號符合其輸入電壓范圍。由于AD824采用單電源供電時(shí)，輸入信號允許負(fù)電壓，且能夠獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍［10］。因此采用該運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)如圖5所示的信號調(diào)理電路。測試信號經(jīng)調(diào)理后送入AD7667芯片，在FPGA的邏輯時(shí)序控制下將模擬信號轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號，依次取其高8 bit與低8 bit，根據(jù)設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)的順序?qū)懭隖IFO緩存器。AD7667所能接受的輸入電壓范圍由內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源決定，即不能超過2.5 V，調(diào)節(jié)圖5中的可調(diào)電阻R62、R63可改變AD824同相輸入端IN的電壓值，從而使AD824的輸出電壓符合AD7667的輸入電壓范圍。

圖5 信號調(diào)理電路

2.3 數(shù)據(jù)緩沖電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用外部FIFO IDT7207作為數(shù)據(jù)緩沖器，這是由于外部FIFO引腳功能較多，尤其是半滿信號以及空信號都易于判斷，此外也不會(huì)占用FPGA的內(nèi)部資源［11］。該芯片具有32 k×9 bit的存儲(chǔ)容量，外圍電路簡單，不需要地址發(fā)生器，它由標(biāo)志控制位來控制其讀寫操作，因而其接口簡單、方便，能對大容量的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速緩存［12］。本設(shè)計(jì)中當(dāng)FPGA檢測到FIFO的空信號為高時(shí)，開始讀取數(shù)據(jù)，這樣就可以避免 FIFO緩存數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。FPGA與IDT7207的連接電路如圖6所示。

圖6 FPGA與IDT7207的連接電路

2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

USB通信部分的功能是將經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行分析和處理，提供高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。本模塊采用USB接口芯片CY7C68013A，其內(nèi)核是一個(gè)增強(qiáng)型8051單片機(jī)，并含有USB協(xié)議相關(guān)的各種模塊。上位機(jī)通過PE口來發(fā)送系統(tǒng)復(fù)位、啟動(dòng)測試、停止測試等命令，讀取數(shù)據(jù)通過CY7C68013A的GPIF［0：7］口上傳到上位機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后通過上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令，讓FPGA完成相應(yīng)的功能。這些功能主要包括：采集傳感器的測試信號、緩存數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集緩存部分軟件設(shè)計(jì)

測試信號經(jīng)AD采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，F(xiàn)PGA控制以一定的幀格式寫入外部FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，具體的幀格式如表1所示。在本采集幀結(jié)構(gòu)內(nèi)，一幀為404 byte，幀頭為“EB90”，幀計(jì)數(shù)為2 byte。

表1 采集幀結(jié)構(gòu)表

圖7 系統(tǒng)總流程設(shè)計(jì)圖

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用 VB6.0進(jìn)行上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。VB6.0是微軟公司推出的可視化編輯工具M(jìn)SDN之一，是目前世界上使用最廣泛的程序開發(fā)工具［13］。上位機(jī)的功能是對FPGA發(fā)送控制指令，實(shí)時(shí)顯示采回的數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)得出傳感器的諧振頻率。此軟件對FPGA實(shí)現(xiàn)以下功能：系統(tǒng)復(fù)位、啟動(dòng)/停止AD采集等。

4 解算方法

解算方法的關(guān)鍵是：①信號源輸出掃頻信號是線性掃頻；②信號源的掃頻信號與數(shù)字采集信號是同步的。這樣相當(dāng)于在一個(gè)掃頻周期內(nèi)的Uout中加了一條頻率軸，具體算法如式（5），式中fO為傳感器諧振頻率，fS、fF分別為掃頻起始頻率、終止頻率，N為掃頻一個(gè)周期內(nèi)采集的總點(diǎn)數(shù)，n為傳感器諧振處采集的第幾個(gè)點(diǎn)。

5 測試實(shí)驗(yàn)

為測試該系統(tǒng)的可靠性和精確度，搭建圖8所示的LC諧振傳感器信號檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。LC諧振傳感器由環(huán)氧樹脂基底的矩形平面螺旋電感和可變電容組成，矩形平面螺旋電感線圈的繞線如圖9所示，di、do為線圈的內(nèi)邊長和外邊長，w、s為線圈導(dǎo)線的寬度和間距，電感值為［14-15］：L=k1μ0n2davg/（1+ k2ρ），其中n為線圈匝數(shù)，davg=（d0+di）/2為平均直徑，ρ=（d0-di）/（d0+di）表示電感的填充率，μ0為真空磁導(dǎo)率，k1=2.34、k2=2.75為形狀系數(shù)。傳感器及測試天線的實(shí)物如圖10所示，測試天線與傳感器的距離由距離控制裝置來調(diào)節(jié)，距離控制裝置內(nèi)放置所設(shè)計(jì)的測試電路板，如圖11所示。信號源輸出掃頻范圍為1 MHz～50 MHz，掃頻時(shí)間為1 ms，峰峰值為5 V的正弦掃頻信號。

圖8 LC諧振傳感器信號檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

圖9 矩形平面螺旋電感

圖10 傳感器及測試天線實(shí)物圖

圖11 測試電路板

LC諧振傳感器的電感線圈和測試天線的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，測試天線的串聯(lián)電容C1取為20 pF，調(diào)節(jié)傳感器端的可變電容C2，采用該測試系統(tǒng)對傳感器的諧振頻率進(jìn)行測試。

當(dāng)傳感器（可變電容取為9 pF，由fO=1/［2π· （L2C2）1/2］可得傳感器的理論諧振頻率fO=35.32 MHz［16］，此時(shí)L2=2 255.5 nH，C2=9 pF）與測試天線未耦合時(shí)，示波器顯示的測試波形如圖12（a）所示，一通道顯示的是混頻信號經(jīng)過濾波電路及信號調(diào)理電路后的輸出信號，三通道顯示的是AD831射頻輸入端的信號。當(dāng)傳感器與測試天線耦合時(shí)，示波器顯示的測試波形如圖12（b）所示，從圖12（a）和圖12（b）可以看出，傳感器與測試天線耦合時(shí)，波形發(fā)生了突變，三通道顯示的突變處的信號展開后的波形如圖13所示，經(jīng)分析可知，該突變點(diǎn)即為傳感器的諧振點(diǎn)。

表2 LC諧振傳感器的電感線圈和測試天線的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖12 可變電容為9 pF時(shí)的測試波形

圖13 展開波形（頻率為35.71 MHz）

圖14 采集數(shù)據(jù)片段

一通道顯示的信號為AD采集的信號，通過USB接口將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，圖14為上傳的一部分測試數(shù)據(jù)，幀頭“EB90”+2 byte幀計(jì)數(shù)+采集數(shù)據(jù)，從圖14可以看出，讀回的數(shù)據(jù)符合幀結(jié)構(gòu)，幀計(jì)數(shù)是連續(xù)的，沒有出現(xiàn)丟數(shù)現(xiàn)象。數(shù)據(jù)通過上位機(jī)軟件分析處理即可得出傳感器的諧振頻率值。

表3為耦合距離為d=12 mm時(shí)的傳感器諧振頻率阻抗分析儀與本系統(tǒng)測試值的對比結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中使用的阻抗分析儀為Agilent的E4991A，測試精度為±0.8%。由表可知：本系統(tǒng)諧振頻率的測試值與阻抗分析儀的比較誤差小于3.5%，穩(wěn)定性高，說明該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)的合理性和實(shí)用性。系統(tǒng)的測試誤差來源主要是掃頻信號源分辨率和數(shù)據(jù)采集精度。掃頻源分辨率會(huì)影響測試信號的光滑程度而影響諧振特征產(chǎn)生測試誤差。數(shù)據(jù)采集精度會(huì)影響數(shù)字采集信號對其原始信號的恢復(fù)，繼而帶來測試誤差。

表3 傳感器諧振頻率阻抗分析儀與本系統(tǒng)測試值的對比結(jié)果

6 總結(jié)

本文介紹了LC諧振傳感器互感耦合系統(tǒng)的理論模型，并設(shè)計(jì)了一種LC諧振傳感器信號檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對LC諧振傳感器信號的采集存儲(chǔ)，并通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有測量精度高、可靠性強(qiáng)、電路簡單等特點(diǎn)。此外，通過本系統(tǒng)測試到的LC傳感器諧振頻率值與阻抗分析儀的比較誤差小于3.5%，有望應(yīng)用于LC傳感器信號無線測量的領(lǐng)域。

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張海瑞（1988-），男，山西人，碩士研究生，主要從事動(dòng)態(tài)測試技術(shù)及儀器、微納傳感方面的研究，zhanghairuinuc@ 163.com；

熊繼軍（1971-），男，湖北人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)、微納器件與系統(tǒng)研究，xiongjijunnuc@126.com。

Signal Detection System of LC Resonant Sensors*

ZHANG Hairui，PENG Xufeng，LIANG Ting，HONG Yingping，CAO Qun，ZHENG Tingli，XIONG Jijun*
（Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China）

According to the theoretical model of the mutual coupling system for LC resonant sensors，a signal detection system for LC resonant sensors was designed.The signal detection system includes analog parts，digital parts and calculating methods.Analog parts extract resonance information via mixer，and transform output signal to dc signal with low pass filter（LPF）which is convenient for data acquisition.Digital parts complete signal acquisition and transmit to PC for processing and analysis.Calculating method realizes obtaining resonance frequency from the dc signal of carrying resonance information by synchronizing linear sweep frequency source of the analog parts and the data acquisition of the digital parts.The experimental results prove that the signal detection system can obtain the LC resonant sensors'testing signal completely，it has stable performance and high accuracy，and the resonant frequency measurement error is less than 3.5%.The system can be applied to measure LC sensors'signal wirelessly. Key words：LC resonant sensors；wireless measurement；resonant frequency；mixer；LPF；signal acquisition

TP216.1

A

1004-1699（2015）04-0503-07

7210

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.009

項(xiàng)目來源：國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51425505）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61471324）

2014-11-03 修改日期：2015-01-08