［摘 要］文章旨在改進(jìn)傳統(tǒng)電容式接近傳感器抗干擾能力差，誤觸發(fā)頻繁的問題。在充分調(diào)研國內(nèi)外傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用市場(chǎng)基礎(chǔ)上，新型智能電容傳感器的硬件重新設(shè)計(jì)了振蕩電路、單片機(jī)控制電路和IO-LINK 驅(qū)動(dòng)電路，軟件使用了自適應(yīng)的投票算法和自動(dòng)示教功能。新型智能電容傳感器在安裝方式上支持三芯電纜的IO-LINK 模式，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速對(duì)傳感器的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展診斷，提升現(xiàn)階段電容傳感器的智能化水平，同時(shí)為同類新型產(chǎn)品的研發(fā)提供有效的解決方案。

［關(guān)鍵詞］智能電容傳感器； 自動(dòng)示教；抗干擾；溫度檢測(cè)；IOLINK ；振蕩電路

［中圖分類號(hào)］TH744 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0039–05

電容是電子電路中常見的無源器件之一，電容式接近傳感器通過測(cè)量傳感器與金屬或者任何介質(zhì)系數(shù)大于2 的材料之間的電容變化來反映當(dāng)前物體是否存在。這種變化通過影響傳感器的局部電場(chǎng)進(jìn)而被控制電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)，輸入到MCU 中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換來參與運(yùn)算。電容接近傳感器這種非接觸式的特性可被大量應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，例如，傳送帶、機(jī)械臂動(dòng)作信號(hào)的反饋、高腐蝕高危場(chǎng)景下的液位檢測(cè)。傳統(tǒng)的電容式接近傳感器主要利用RC振蕩電路，通過產(chǎn)生固定周期的方波脈沖來驅(qū)動(dòng)電容板，從而產(chǎn)生脈沖電壓信號(hào)。這種方法通過純硬件電路生成脈沖信號(hào)，利用電阻和電容參與振蕩工作用以維持穩(wěn)定的振蕩頻率。然而，傳統(tǒng)的電容式傳感器易受溫度、電磁干擾以及電機(jī)變頻器的影響，導(dǎo)致信號(hào)誤觸發(fā)頻繁，嚴(yán)重限制了使用場(chǎng)景。

近年來，電容接近傳感器為了滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)苛的環(huán)境，其需要更加穩(wěn)定的MCU 增強(qiáng)傳感器抗干擾的等級(jí)，同時(shí)傳感器需要具備自主監(jiān)測(cè)功能，提前對(duì)過程數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)和設(shè)備信息進(jìn)行管理和分析，以便及時(shí)通知維護(hù)人員進(jìn)行更換。IO-LINK 作為一種全新的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)字通信協(xié)議，其可被用于連接傳感器和執(zhí)行器與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的控制器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。文章結(jié)合MCU+IO-LINK 設(shè)計(jì)，硬件電路實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的RC 振蕩電路，通過專用電路主動(dòng)產(chǎn)生激勵(lì)，同時(shí)增加RC 濾波，提高電路的抗電磁干擾能力。MCU 實(shí)現(xiàn)了對(duì)包括環(huán)境在內(nèi)的各類輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、處理與邏輯判斷，以達(dá)到溫度自動(dòng)補(bǔ)償、距離自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。IO-LINK 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)電容傳感器的參數(shù)進(jìn)行靈活配置，可更快地發(fā)現(xiàn)和定位設(shè)備故障，提高工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

1 電容式接近傳感器原理

電容式接近傳感器的工作原理是基于測(cè)量物體與傳感器之間電容的變化來檢測(cè)被測(cè)物的存在。當(dāng)被測(cè)物靠近傳感器時(shí)，被測(cè)物與傳感器之間的電容會(huì)發(fā)生變化。電容的變化通過放大電路進(jìn)行放大，再傳遞給電壓比較器，當(dāng)變化量超過設(shè)定的閾值，比較器的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換并被MCU 檢測(cè)到。具體的公式如下所示：

式中，Q為電容器累計(jì)的電荷量，εr為電容器中的兩個(gè)極板之間的相對(duì)介電常數(shù)，S為對(duì)應(yīng)的極板重疊的面積，UA－UB為電容器兩個(gè)極板間的電壓差，k為物體學(xué)中的靜電力常量，d為兩個(gè)電極相隔的距離。

電容式接近傳感器主要通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：感應(yīng)電容用于在傳感器的探測(cè)端產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，當(dāng)物體接近時(shí)，物體與電場(chǎng)之間形成電容。具體電容值與物體的距離有關(guān)。MCU 的外圍檢測(cè)電路負(fù)責(zé)放大并將這種電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通常是電壓或電流信號(hào)。MCU 通過設(shè)定的閾值確定物體是否足夠接近。當(dāng)電容變化超過設(shè)定的閾值時(shí)，傳感器的輸出端口輸出相應(yīng)的信號(hào)。真實(shí)的工業(yè)場(chǎng)景下，由于電磁干擾或溫度漂移，電極之間的電場(chǎng)并不是一直處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。而且被檢測(cè)物體與電容傳感器之間的介電常數(shù)會(huì)隨著物體的移動(dòng)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致電容值和實(shí)際距離值之間是一種非線性關(guān)系。如果要實(shí)現(xiàn)電容傳感器的穩(wěn)定檢測(cè)，必須著力解決抗干擾和距離殘差補(bǔ)償算法。

2 方案設(shè)定

整個(gè)智能電容傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)方案包括電源轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電源電路、信號(hào)檢測(cè)電路、信號(hào)處理電路、MCU 控制處理電路。其中MCU 控制電路具體又包括IO-LINK 接口電路、溫度檢測(cè)電路和顯示電路。對(duì)應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)方案包括溫度自適應(yīng)補(bǔ)償算法、距離殘差補(bǔ)償算法及投票算法。智能電容傳感器系統(tǒng)框如圖1 所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電源電路

一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源是確保產(chǎn)品正常工作的關(guān)鍵。其不僅是為電路各部分提供能量的來源，更是確保整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。圖2 為改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電源電路，其中VCC_1 代表外部電源轉(zhuǎn)換提供的基準(zhǔn)電源。CPU1 則是由微控制器單元（MCU）控制內(nèi)部時(shí)鐘頻率生成的方波脈沖信號(hào)源。這個(gè)方波信號(hào)經(jīng)過三極管推挽電路，可形成一個(gè)穩(wěn)定可靠的電壓VCC 信號(hào)。相比于直接使用外部電源供電，新的電路設(shè)計(jì)方案考慮了電壓的穩(wěn)定性和波動(dòng)，可確保輸出的電壓在預(yù)期范圍內(nèi)，不會(huì)受到外部干擾或內(nèi)部變化的影響。當(dāng)然，這種電路設(shè)計(jì)方案不局限于電容傳感器，其他同類型產(chǎn)品也可以借鑒使用。

3.2 DAOC抗干擾設(shè)計(jì)

在電容傳感器設(shè)計(jì)中，電磁干擾一直是一大難題，為了解決這一問題，在新產(chǎn)品中提出了DAOC 抗干擾理念，這個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)主要分為兩個(gè)部分。

（1）圖2 中利用電容C7 的隔直流通交流特性，傳感器的負(fù)向輸入端Senor- 和GND 之間既能夠保證有效隔離，又相互聯(lián)系。這樣不僅可保證數(shù)值上Sensor- 等于Sensor+，同時(shí)在頻率和幅值上也能夠保持一致。Sensor- 和GND 通過C3進(jìn)行連接，而D1 的加入可將Sensor- 的電壓限制在0.7 V 的范圍內(nèi)。通過接入示波器進(jìn)行觀察，得到不同參考點(diǎn)下的電壓變化波形。GND 參考點(diǎn) AGND 波形如圖3 所示，GND 參考點(diǎn) VCC 波形如圖4 所示，AGND 參考點(diǎn) VCC 波形如圖5 所示。

（2）MCU 控制電路、IO-LINK 通訊和溫度檢測(cè)等模塊都以GND 為參考點(diǎn)，信號(hào)處理電路、檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路選擇Sensor- 作為參考點(diǎn)。這個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于避免了Sensor- 可能帶來的負(fù)面影響，保證了電容傳感器供電電源信號(hào)的同步。這樣一來，即使外部信號(hào)有波動(dòng)或有電磁干擾產(chǎn)生的交流信號(hào)作用在Sensor- 上，信號(hào)也能夠同時(shí)被改變，從而有效地相互抵消干擾的影響。

3.3 檢測(cè)電路

電容接近傳感器中被檢測(cè)物體的有無是通過檢測(cè)電容極板和檢測(cè)物體之間電容的變化反映，具體感應(yīng)信號(hào)檢測(cè)電路如圖6 所示，傳感器與被測(cè)物體之間的電壓信號(hào)經(jīng)過前級(jí)電路后通過D2 送到選通芯片輸入端1，控制端通過R3 與傳感器的負(fù)向輸入端相連，此外其還和電容C5 組成RC 濾波器，對(duì)硬件電路中的高頻噪聲進(jìn)行了一定的濾除。軟件方面，濾波算法主要通過控制CPU 內(nèi)部時(shí)鐘頻率從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出端脈沖信號(hào)的時(shí)間窗口作用。智能電容傳感器的檢測(cè)電路最終輸出波形圖如圖7 所示，從波形圖上看其頻率可保持與VCC 同頻。輸出端2 在GND 與被測(cè)物體的感應(yīng)信號(hào)1 之間進(jìn)行切換選擇輸出，然后將電壓信號(hào)送入MCU。MCU 對(duì)DAC 和比較器進(jìn)行選擇配置，然后輸出經(jīng)過檢測(cè)處理后的電壓信號(hào)。

3.4 IO-LINK控制電路

IO-LINK 作為智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)，其是一種新型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行數(shù)字通訊協(xié)議，可在傳感器和控制器（PLC）間完成數(shù)據(jù)交換。使用IO-Link 通訊接口的傳感器可更加快捷的修改傳感器的參數(shù)設(shè)置。針對(duì)IOLINK 芯片設(shè)計(jì)了專門的驅(qū)動(dòng)電路，如圖8 所示。

IO-LINK 可工作在SIO 或IO-LINK 通信模式，OUT1 和OUT2 連接在一起并通過電阻R27 與I/Q 連接，通過MCU 對(duì)IN1、IN2、EN/DIAG、I/Q 引腳的控制，IO-LINK可工作在高邊測(cè)/ 低邊側(cè)/ 推挽模式下。IO-LINK 外部引腳接線如圖9 所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中選用的MCU 型號(hào)為STM32C8T6，系統(tǒng)初始化階段包括使能芯片中斷，開啟定時(shí)器中斷，開啟ADC 轉(zhuǎn)換，核心的算法執(zhí)行放在定時(shí)器中斷中執(zhí)行，包括讀取電容傳感器的輸出，輸入Adaboost算法進(jìn)行數(shù)據(jù)殘差補(bǔ)償，補(bǔ)償后的結(jié)果取連續(xù)的5 個(gè)輸出結(jié)果作為一次判斷的循環(huán)，采用投票算法少數(shù)服從多數(shù)原則決定最終的輸出信號(hào)。智能電容傳感器軟件算法流程如圖10 所示。

4.1 集成算法

Adaboost（Adaptive Boosting）是一種集成學(xué)習(xí)算法，通過組合多個(gè)弱分類器來構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)分類器。在電容傳感器溫度自適應(yīng)補(bǔ)償和距離殘差補(bǔ)償中，使用Adaboost 算法組合多個(gè)弱模型，以提高整體的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。這里以溫度自適應(yīng)補(bǔ)償算法為例，使用Adaboost，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：①通過搭建溫度檢測(cè)電路收集帶有傳感器溫度和對(duì)應(yīng)輸出值的數(shù)據(jù)，作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。②選擇擬合度比較不錯(cuò)的且對(duì)溫度敏感度較低的弱模型，這里選擇的是簡(jiǎn)單的線性回歸模型作為基分類器。模型訓(xùn)練階段通過反復(fù)迭代調(diào)整數(shù)據(jù)權(quán)重，訓(xùn)練多個(gè)弱模型。Adaboost 強(qiáng)大的地方在于每個(gè)弱模型都會(huì)關(guān)注之前被錯(cuò)誤分類的樣本。③最后的輸出是將多個(gè)弱模型組合成一個(gè)強(qiáng)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出值的溫度自適應(yīng)補(bǔ)償。同理，距離殘差補(bǔ)償算法原理同上。這里需要提示Adaboost 算法是基于Python語言編寫， 最終部署到C 語言還需要使用m2cgen 庫進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

4.2 投票算法

在Adaboost 補(bǔ)償算法的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步增加電容傳感器輸出的魯棒性，引入投票算法綜合多次測(cè)量結(jié)果，以獲得最終的物體距離估計(jì)。具體是選用5 次連續(xù)的物體進(jìn)行距離判斷，以應(yīng)對(duì)瞬時(shí)噪聲或干擾。如果5次輸出中80% 以上產(chǎn)生了動(dòng)作信號(hào)，最終輸出動(dòng)作信號(hào)1，反之如果5 次輸出中80% 以上產(chǎn)生了非動(dòng)作信號(hào)，最終輸出非動(dòng)作信號(hào)0。介于這兩者之間的維持上一次輸出2 不變。具體投票算法信號(hào)輸出規(guī)則轉(zhuǎn)化見表1。

5 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)室條件下，利用EFT 儀器、變頻器、高低溫溫度箱對(duì)設(shè)計(jì)的智能電容傳感器的性能進(jìn)行了全面評(píng)估，試驗(yàn)結(jié)果表明本方案設(shè)計(jì)的智能電容傳感器與傳統(tǒng)方案相比有了極大的改善。表2 和表3 分別展示了群脈沖、電機(jī)干擾的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中，“√”代表該項(xiàng)測(cè)試通過，反之“×”表示該項(xiàng)測(cè)試不通過。

當(dāng)配置IO-LINK 設(shè)備為SIO 模式時(shí)，電容傳感器通過按鍵一鍵進(jìn)行TEACH-IN 示教，設(shè)定電容傳感器的開通和關(guān)斷距離，如圖9 在SIO 模式IO-LINK接口作為數(shù)字量的I/O 口輸出使用，數(shù)據(jù)單向地從電容傳感器端傳遞至控制器端。

當(dāng)配置IO-LINK 設(shè)備為IO-LINK 通信模式時(shí)，輸出脈沖信號(hào)，IO-LINK 主頻按照預(yù)定的波特率與IO-LINK 傳感器建立通信，按照協(xié)議內(nèi)容與控制器進(jìn)行非周期性數(shù)據(jù)交換。LINK 芯片與電容傳感器MCU 之間通過串口RXD1、TXD1 進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、發(fā)送。通過IO-LINK 智能端口雙向通訊的功能，在參數(shù)設(shè)置的過程中，電容傳感器能檢測(cè)本身到被檢測(cè)物體之間的距離，避免電容傳感器到被測(cè)物之間的距離過近造成損壞，能在第一時(shí)間對(duì)設(shè)備進(jìn)行停機(jī)設(shè)置和簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程維護(hù)。同時(shí)IODD 包含了IO-LINK 設(shè)備的全部日志信息，像USB 一樣方便，通過鼠標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，如NO/NC 的切換，特別是對(duì)于安裝空間狹小，特殊應(yīng)用工位等，客戶可降低關(guān)閉維修時(shí)間，獲得較長的設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間，極大地提高了調(diào)試便利性和生產(chǎn)效率，降低了綜合成本。

此外，當(dāng)電容傳感器應(yīng)用于光伏、半導(dǎo)體行業(yè)等，安裝環(huán)境普遍較高，傳統(tǒng)的電容傳感器一般應(yīng)用熱敏電阻組成補(bǔ)償電路進(jìn)行阻值補(bǔ)償，該方案一致性較差，文章采用MCU 自動(dòng)補(bǔ)償方案，通過不同溫度環(huán)境下的試驗(yàn)得到測(cè)量電路的輸出電壓隨溫度變化的規(guī)律，單片機(jī)進(jìn)行擬合計(jì)算進(jìn)行DAC 調(diào)整，使電容傳感器在高、低溫環(huán)境中的變化減小為原來的20%，確保工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行。

6 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)采用了新的振蕩方式生成穩(wěn)定可靠的供電電源，檢測(cè)電路設(shè)計(jì)了DAOC 抗干擾電路，應(yīng)用MCU+IO-LINK 的現(xiàn)代技術(shù)，最后在試驗(yàn)階段完成了±3 kV， 干擾頻率1 KHZ，5 KHZ，100 KHZ 的EFT干擾測(cè)試；通過按鍵實(shí)現(xiàn)了TEACH-IN 自動(dòng)示教；而且通過IO-LINK 通信實(shí)現(xiàn)了控制器與傳感器設(shè)備之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)了電容傳感器在溫度補(bǔ)償、開關(guān)頻率、距離設(shè)定、設(shè)備啟停、簡(jiǎn)單維護(hù)的遠(yuǎn)程智能設(shè)置，為客戶提供了高性能、低成本、良品率高的解決方案。

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