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PCB線圈或者自制線圈就可實現(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交變電流，其線圈的周圍就會產(chǎn)生交變電磁場，此時如果有金屬物體處于這個電磁場中，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)。利用這個特性配以外部設(shè)計的金屬物體可以方便實現(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。

LDC1000是通過調(diào)節(jié)振動器的幅度同時檢測LC的諧振損耗來實現(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)計方案

利用LDC1000可將測量量變換為距離的特點，可將其放置在一個能夠自主移動的設(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位定時器，12位A/D轉(zhuǎn)換器，UART、SPI等。本設(shè)計中采用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串行總線實現(xiàn)對LDC1000的控制，完成時序定義和數(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)計中使用8 050和8 550對管實現(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)計要求分析，在規(guī)定的時間內(nèi)完成場內(nèi)任意點的查詢，選擇減速直流電機(jī)(80 r/min)。

為保證整個探測區(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)找到金屬物體時系統(tǒng)通過指示燈和蜂鳴器報警提示。

4 軟件實現(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個寄存器，可通過保持片選信號有效，進(jìn)行連續(xù)讀寫，此時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，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，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)計采用LDC1000測試板實現(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。在之后對程序上進(jìn)一步完善，可在更快的時間內(nèi)完成對固定區(qū)域金屬物的識別與尋找。