基于LDC1000電感到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的金屬探測(cè)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(cè)，而且可以測(cè)試外部金屬物體與線圈的空間位置關(guān)系。檢測(cè)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(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，此時(shí)如果有金屬物體處于這個(gè)電磁場(chǎng)中，則會(huì)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(dòng)的測(cè)量，可廣泛應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。

LDC1000是通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)器的幅度同時(shí)檢測(cè)LC的諧振損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗和諧振頻率的測(cè)量。通過(guò)檢測(cè)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(hào)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(cè)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(cè)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(píng)估板中集成了振蕩電路、檢測(cè)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、寄存器等，使用起來(lái)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(jiǎn)單，測(cè)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(cè)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(dòng)的設(shè)備上，就可以完成一定范圍內(nèi)金屬物體的探測(cè)。自主設(shè)備需完成自動(dòng)定位功能，即將LDC1 000所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(guò)SPI口連接，通過(guò)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(dòng)電機(jī)在50 cm*50 cm平面內(nèi)移動(dòng)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(guò)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(guò)SPI串行總線實(shí)現(xiàn)對(duì)LDC1000的控制，完成時(shí)序定義和數(shù)據(jù)讀取，在此通信過(guò)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(dòng)的實(shí)現(xiàn)

處理器輸出信號(hào)通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)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(dòng)晶體管，本設(shè)計(jì)中使用8 050和8 550對(duì)管實(shí)現(xiàn)，采用+12 V直流電驅(qū)動(dòng)。測(cè)試中電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，控制較為靈敏。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)要求分析，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成場(chǎng)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(cè)區(qū)域，采用X—Y軸系統(tǒng)完成，電機(jī)1驅(qū)動(dòng)滑塊完成X軸運(yùn)動(dòng)(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(dòng)，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(guò)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(dòng)后，先對(duì)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(dòng)滑塊移動(dòng)傳感器，在所經(jīng)過(guò)的地方對(duì)對(duì)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(lái)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(guò)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(guò)保持片選信號(hào)有效，進(jìn)行連續(xù)讀寫(xiě)，此時(shí)寄存器地址自動(dòng)增加。

初始化程序：

對(duì)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(hào)置零;MSP430通過(guò)SDI線向LDC1000寫(xiě)入訪問(wèn)寄存器地

址，其中最高位0表示寫(xiě)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(cè)試對(duì)象和距離會(huì)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(huì)被鉗位，但也不能設(shè)置為極限值，范圍過(guò)大，造成內(nèi)部ADC精度無(wú)用。

4.4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

在測(cè)試過(guò)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(huì)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(duì)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(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用LDC1000測(cè)試板實(shí)現(xiàn)了一款自主移動(dòng)的金屬物探測(cè)器，在2014年TI杯陜西省賽區(qū)中獲得三等獎(jiǎng)。在之后對(duì)程序上進(jìn)一步完善，可在更快的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)固定區(qū)域金屬物的識(shí)別與尋找。