基于LDC1000電感到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的金屬探測器
LDC1000是世界首款電感到數(shù)字轉(zhuǎn)換器。只需外接一個(gè)PCB線圈或者自制線圈就可實(shí)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(guān)系。檢測原理是利用大學(xué)物理中的電磁感應(yīng)原理。在印刷電路板線圈或自制的線圈中加一個(gè)交變電流,其線圈的周圍就會產(chǎn)生交變電磁場,此時(shí)如果有金屬物體處于這個(gè)電磁場中,則會在金屬物體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流的大小是線圈與金屬物的距離,大小、成分的函數(shù)。利用這個(gè)特性配以外部設(shè)計(jì)的金屬物體可以方便實(shí)現(xiàn)水平或垂直距離、位移、振動的測量,可廣泛應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/308678.htmLDC1000是通過調(diào)節(jié)振動器的幅度同時(shí)檢測LC的諧振損耗來實(shí)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(jì)算出Rp(等效并聯(lián)電阻),轉(zhuǎn)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,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(dāng)金屬物體離線圈最近的時(shí)候渦流最大,損耗也最大。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
早期金屬探測系統(tǒng)以8位51系列單片機(jī)作為控制核心,其硬件電路大體分為2部分,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、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、LED顯示電路、聲音報(bào)警電路及電源電路等。由于系統(tǒng)復(fù)雜,精確度經(jīng)常達(dá)不到,而LDC1000評估板中集成了振蕩電路、檢測電路、模數(shù)轉(zhuǎn)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(gòu)成比較簡單,測試精度提高。如圖1所示。
2 總體設(shè)計(jì)方案
利用LDC1000可將測量量變換為距離的特點(diǎn),可將其放置在一個(gè)能夠自主移動的設(shè)備上,就可以完成一定范圍內(nèi)金屬物體的探測。自主設(shè)備需完成自動定位功能,即將LDC1 000所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比處理后輸出,控制自主設(shè)備的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),而最終停止在金屬物的附近或上方。本設(shè)計(jì)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(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后驅(qū)動電機(jī)在50 cm*50 cm平面內(nèi)移動尋跡,如圖2所示。
3 硬件構(gòu)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(jié)構(gòu),16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器,典型應(yīng)用為傳感器系統(tǒng)。MSP430-14系列內(nèi)置16位定時(shí)器,12位A/D轉(zhuǎn)換器,UART、SPI等。本設(shè)計(jì)中采用MSP430F149,通過SPI口與LDC1000連接。
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(shí)現(xiàn)對LDC1000的控制,完成時(shí)序定義和數(shù)據(jù)讀取,在此通信過程中,LDC1000為從機(jī)(Slave)。MSP4 30f149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(shí)現(xiàn)
處理器輸出信號通過H橋驅(qū)動電路,完成電機(jī)1(X軸)和電機(jī)2(Y軸)的控制。根據(jù)電機(jī)負(fù)載,選擇不同的驅(qū)動晶體管,本設(shè)計(jì)中使用8 050和8 550對管實(shí)現(xiàn),采用+12 V直流電驅(qū)動。測試中電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,控制較為靈敏。通過對設(shè)計(jì)要求分析,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成場內(nèi)任意點(diǎn)的查詢,選擇減速直流電機(jī)(80 r/min)。
為保證整個(gè)探測區(qū)域,采用X—Y軸系統(tǒng)完成,電機(jī)1驅(qū)動滑塊完成X軸運(yùn)動(如圖2所示),電機(jī)2固定在電機(jī)1的滑塊上,完成Y軸的運(yùn)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(yīng)數(shù)據(jù)。顯示部分采用LCD12864,可以將相應(yīng)寄存器數(shù)據(jù)顯示以便觀察。當(dāng)找到金屬物體時(shí)系統(tǒng)通過指示燈和蜂鳴器報(bào)警提示。
4 軟件實(shí)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(shè)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(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)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。
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(shí)將其包含即可。在數(shù)據(jù)處理中,用戶關(guān)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(gè)寄存器,可通過保持片選信號有效,進(jìn)行連續(xù)讀寫,此時(shí)寄存器地址自動增加。
初始化程序:
對函數(shù)進(jìn)行調(diào)用時(shí),函數(shù)參數(shù)值的選定應(yīng)根據(jù)LDC1000的SPI通信協(xié)議。在主機(jī)與從機(jī)通訊時(shí)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(shè)置也不同,應(yīng)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(shè)置為極限值,范圍過大,造成內(nèi)部ADC精度無用。
4.4 實(shí)現(xiàn)結(jié)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(shí),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(shí)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(jié)束語
本設(shè)計(jì)采用LDC1000測試板實(shí)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(jiǎng)。在之后對程序上進(jìn)一步完善,可在更快的時(shí)間內(nèi)完成對固定區(qū)域金屬物的識別與尋找。
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