基于LDC1000电感到数字转换器的金属探测器

王剑锋

(西安外事学院 信息工程实验中心,陕西 西安710077)

基于LDC1000电感到数字转换器的金属探测器

王剑锋

(西安外事学院 信息工程实验中心,陕西 西安710077)

电涡流传感器以其独特的优点,广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业。LDC1000实现了电涡流传感器参数电感量到数字量的转换,提供了小封装、低成本的解决方案,通过SPI接口连接MCU,可以测得金属物与其线圈的空间位置关系。通过对LDC1000使用的分析,详细描述了一款自主移动的金属物探测器的实现过程。系统方案经济、灵活,可移植性强,对于类似项目有一定的借鉴意义。文中主要包括系统构成,LDC1000使用方法,寄存器读写控制等。

艾研LDC1000；电涡流传感器；金属探测器；MSP430

LDC1000是世界首款电感到数字转换器。只需外接一个PCB线圈或者自制线圈就可实现非接触式电感检测,而且可以测试外部金属物体与线圈的空间位置关系。检测原理是利用大学物理中的电磁感应原理。在印刷电路板线圈或自制的线圈中加一个交变电流,其线圈的周围就会产生交变电磁场,此时如果有金属物体处于这个电磁场中,则会在金属物体表面产生感应电流,感应电流的大小是线圈与金属物的距离,大小、成分的函数［1］。利用这个特性配以外部设计的金属物体可以方便实现水平或垂直距离、位移、振动的测量,可广泛应用于相关领域。

LDC1000是通过调节振动器的幅度同时检测LC的谐振损耗来实现阻抗和谐振频率的测量。通过检测注入LC谐振单元的能量计算出Rp（等效并联电阻）,转换为数字量,其数值和Rp的值成反比。

LDC1000支持宽范围的LC组合5 kHz到5 MHz谐振频率,Rp的范围支持798 Ω到3.93 MΩ［1］,此范围即为器件内部ADC的信号范围,确定其分辨率。等效并联电阻Rp与ADC码值成反比,当金属物体离线圈最近的时候涡流最大,损耗也最大。

1 系统构成

早期金属探测系统以 8位51系列单片机作为控制核心,其硬件电路大体分为2部分［2］,一部分为线圈振荡电路,一般包括:多谐振荡电路、放大电路和探测线圈；另一部分为控制电路,包括:霍尔元件、可编程放大电路、峰值检波电路［3］、模数转换器、单片机、LED显示电路、声音报警电路及电源电路等。由于系统复杂,精确度经常达不到,而LDC1000评估板中集成了振荡电路、检测电路、模数转换器、寄存器等,使用起来就方便很多,减少了很多不可控的调试环节,系统构成比较简单,测试精度提高。如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 Systematic diagram

2 总体设计方案

利用LDC1000可将测量量变换为距离的特点,可将其放置在一个能够自主移动的设备上,就可以完成一定范围内金属物体的探测。自主设备需完成自动定位功能,即将LDC1000所获得的数据进行对比处理后输出,控制自主设备的电机运转,而最终停止在金属物的附近或上方。本设计整体方案采用TI公司的MSP430微处理器作为控制器与之通过SPI口连接,通过读取LDC1000的固定寄存器获得相关数据经处理后驱动电机在50 cm*50 cm平面内移动寻迹,如图2所示。

图2 设计方案图Fig.2 Design diagram

3 硬件构成

3.1 控制器

德州仪器的MSP430系列是一种超低功耗微控制器系列,采用16位的体系结构,16位的CPU集成寄存器和常数发生器,典型应用为传感器系统。MSP430-14系列内置16位定时器,12位 A/D转换器,UART、SPI等。本设计中采用MSP430F149,通过SPI口与LDC1000连接［4］。

3.2 与LDC1000的连接

LDC1000与MSP430f149的连接采用四线制SPI连接方式,通过SPI串行总线实现对LDC1000的控制,完成时序定义和数据读取［5］,在此通信过程中,LDC1000为从机（Slave）。MSP430f149其中引脚 P3.0接 LDC1000的 CSB；P3.1接SDO；P3.2接SDI；P3.3接SCLK。

3.3 移动的实现

处理器输出信号通过H桥驱动电路［6］,完成电机1（X轴）和电机2（Y轴）的控制。根据电机负载,选择不同的驱动晶体管,本设计中使用8 050和8 550对管实现,采用+12 V直流电驱动。测试中电机运转正常,控制较为灵敏。通过对设计要求分析,在规定的时间内完成场内任意点的查询,选择减速直流电机（80 r/min）。

为保证整个探测区域,采用X-Y轴系统完成,电机1驱动滑块完成X轴运动（如图2所示）,电机2固定在电机1的滑块上,完成Y轴的运动,再将主控制器固定在滑块2上, LDC-1000传感器则尽量与玻璃平面靠近,采集相应数据。显示部分采用LCD12864,可以将相应寄存器数据显示以便观察。当找到金属物体时系统通过指示灯和蜂鸣器报警提示。

4 软件实现

4.1 思路与流程

启动后,先对LDC1000中特殊寄存器赋值,即设定上限和下限,并留出冗余,然后启动滑块移动传感器,在所经过的地方对对Rp相应寄存器的数据读出并进行数据的比较,去发现数值的变化情况,以此方式来逐次逼近金属物,从而最终停止在金属物附近或上方。程序执行过程如图3所示。

图3 程序流程图Fig.3 Program flow diagram

4.2 程序实现

LDC1000中的寄存器地址已在其头文件LDC1000_cmd.h中定义,编程时将其包含即可。在数据处理中,用户关心的Rp和Frequency值,Rp可推算出金属的距离,利用Rp值的变化完成金属物的定位。Rp占用2个寄存器,可通过保持片选信号有效,进行连续读写,此时寄存器地址自动增加。

初始化程序:

对函数进行调用时,函数参数值的选定应根据LDC1000的SPI通信协议。在主机与从机通讯时遵循以下步骤:片选信号置零；MSP430通过SDI线向LDC1000写入访问寄存器地址,其中最高位0表示写入,1表示读出,剩余7位为寄存器的地址。

4.3 传感器数据读取

不同的测试对象和距离会产生不同的损耗,其Rp的范围设置也不同,应用中需要配置寄存器Rp_Min和Rp_Max,如果超出范围会被钳位,但也不能设置为极限值,范围过大,造成内部ADC精度无用。

4.4 实现结果

在测试过程中发现传感器距金属物体的距离较近时,显示值才会有明显的变化,而多数情况下都属于超出范围而被钳位。而此需要更新程序的算法,还有就是更换自制电感线圈。

LDC1000对滤波电容的要求苛刻,稳定性好、压电噪声低,最优值在20 pF～100 nF之间,由LC的谐振时常数决定。电感可选用带磁芯或空心电感,可借助示波器找到最佳电容值。

5 结束语

本设计采用LDC1000测试板实现了一款自主移动的金属物探测器,在2014年TI杯陕西省赛区中获得三等奖。在之后对程序上进一步完善,可在更快的时间内完成对固定区域金属物的识别与寻找。

［1］Texas Instruments Incorporated.LDC1000-Q1.ZHCSCS2B［S］.Texas Instruments Incorporated,2014.

［2］范丽珍，李树华.基于单片机的智能型金属探测器的设计［J］.内蒙古大学学报:自然科学版，2006，37（2）:185-189.FAN Li-zhen，LI Shu-hua.Design of an intelligent metal detector based on AT89S52［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis NeiMongol，2006，37（2）:185-189.

［3］梁莉，葛斌.基于鉴相原理的高性能金属探测仪的设计［J］.大连大学学报，2005，26（4）:15-18.LIANG Li，GE Bin.Design of high performancem etaldetector based on phase discrmi-ination principle［J］.Journal of Dalian University，2005，26（4）:15-18.

［4］Texas Instruments Incorporated.MSP430x13x Mixed Signal Microcontroller.SLAS272F［S］.Texas Instruments Incorporated，2014.

［5］潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［6］徐益民.步进电机的单片机控制系统的设计［J］.煤矿机械, 2005（1）:12-13.XU Yi-min.Design of stepping motor SCM control system［J］.Coal Mine Machinery,2005（1）:12-13.

［7］王丽梅，左莹莹.双直线电机XY平台的模糊滑模轮廓控制［J］.电气自动化,2014（4）:13-15.WANG Li-mei，ZUO Ying-ying.Fuzzy sliding mode control of dual linear motors XY platform profile［J］.Electrical Automation,2014（4）:13-15.

［8］王树琦.基于模糊滑模控制理论的SSSC控制器的研究［J］.陕西电力,2014(3):15-18.WANG Shu-qi.Investigation on SSSC controllers based on fuzzy sliding mode control theory ［J］.Shaanxi Electric Power,2014(3):15-18.

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稿件编号：201412224

王剑锋 （1981—）,男,陕西西安人,讲师,工程师。研究方向:电气自动控制,计算机控制技术。