基于TM4C123G的金屬微顆粒探測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

作者 王明全 袁程磊 李治華 王遠航 東北大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院(沈陽 110819)

摘要：本文介紹了一種使用TM4C123G微處理器作為主控制器，采用新型平衡線圈為傳感器探頭，實現(xiàn)檢測金屬微顆粒異物并報警的系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案由正弦信號發(fā)生電路、差分信號處理電路、處理器電路、系統(tǒng)供電電路四部分構(gòu)成。經(jīng)過實物測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏，是一套可靠的金屬微顆粒檢測報警裝置。

引言

　　金屬探測器在現(xiàn)代社會生活中的應(yīng)用越來越廣泛，從最初應(yīng)用在探雷和探測地下金屬開始，發(fā)展到現(xiàn)在的安保、食品、制藥等方面的檢測，其作用越來越凸顯^[1]。與此同時，功能上的提高和完善也受到廣大客戶的關(guān)注。為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展要求，研制穩(wěn)定、可靠、高精度、便于操作的新型金屬檢測裝置是一項十分重要的課題^[2]。針對以上背景與要求，在參考眾多學(xué)位論文^[3-9]后，著手設(shè)計并實現(xiàn)了一臺金屬微顆粒檢測報警樣機。該樣機基于數(shù)字信號處理技術(shù)，采用新型“平衡線圈”作為傳感器探頭，選用TI基于Cortex-M4內(nèi)核的TM4C123GH6PM微控制器(MCU)作為核心處理器，使得樣機檢測精度高、處理速度快，且用戶界面友好。

1 系統(tǒng)整體方案

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。首先由MCU控制信號發(fā)生芯片AD9833生成正弦信號，再經(jīng)LM3886進行功率放大后送入發(fā)射線圈。接收線圈將接收的差分信號送入由NE5532和OPA2134構(gòu)成的放大濾波電路后，經(jīng)MCU自帶的12位ADC采樣送入其內(nèi)部進行處理。若檢測到金屬，則蜂鳴器發(fā)出警告，并在液晶屏上顯示金屬顆粒尺寸的估計值。

2 新型平衡線圈

　　平衡線圈結(jié)構(gòu)如圖2所示，上面是發(fā)射線圈，通以正弦信號;下面是兩個首尾相接的接收線圈，當(dāng)發(fā)射與接收線圈之間有金屬顆粒通過時，會導(dǎo)致兩個接收線圈的感應(yīng)電動勢不平衡，從而在兩根引線之間產(chǎn)生電動勢。通過對此電動勢的有無及大小進行檢測，就可以判斷金屬顆粒是否存在^[9-10]。

　　發(fā)射線圈和接收線圈作為金屬探測器中最重要的傳感器單元，對加工工藝要求比較嚴格。在制作接收線圈時，要盡可能地保證線圈左右對稱，且與發(fā)射線圈平行。理想情況下，當(dāng)沒有金屬顆粒通過線圈時，接收線圈輸出為0。而實際中，由于加工精度不夠或漆包線纏繞形狀不完全一致等因素，都會對平衡線圈產(chǎn)生不良影響——即便無金屬通過線圈，在接收線圈的輸出端，仍會有一電壓信號輸出，這就需要后續(xù)電路的調(diào)理。

3 信號發(fā)生芯片

　　AD9833是一個低功耗、頻率可編程的正弦波、三角波和方波波形發(fā)生器，廣泛應(yīng)用于各種測量、激勵和時域響應(yīng)領(lǐng)域。其輸出信號的頻率和相位可編程，很容易調(diào)整，無需外接器件。頻率寄存器為28位，如果基準頻率輸入為25MHz，信號輸出最小精度為0.1Hz。同樣，如果基準頻率輸入為1MHz，則信號輸出最小精度為0.004Hz。

4 功率放大電路

　　從AD9833輸出的正弦波功率太小，不足以驅(qū)動發(fā)射線圈這樣的電感元件，所以需要設(shè)計此功率放大電路，以保證有足夠大的電流。

　　本設(shè)計功放電路如圖3所示，采用美國NS公司推出的大功率音頻放大集成芯片LM3886，該芯片經(jīng)常用于高保真音響的后級功放，具有優(yōu)越的驅(qū)動能力。本設(shè)計中的正弦信號為16.6kHz，適合采用此音頻功放。

5 接收信號的硬件調(diào)理電路

　　在接收線圈的輸出端，會有一個差分信號，將此信號通過放大、濾波、降壓這一系列的硬件調(diào)理之后，就可以輸入到單片機的AD端口。

　　放大電路如圖4所示，需要選擇低噪聲運放作為前端放大器，本設(shè)計采用NE5532作為前級運放，具有相當(dāng)好的噪聲性能，輸入噪聲電壓小，僅為5nV/Hz，增益帶寬積為10MHz，適合對16.6kHz的正弦小信號進行低噪聲放大。NE5532采用同向放大，此時的輸入阻抗比較大。

　　放大后需要對含有噪聲的信號進行濾波，其電路如圖5所示。Vin為從NE5532中輸出的信號，Vout為濾波輸出信號。

　　由于要實現(xiàn)高精度檢測，所以放大電路中的放大倍數(shù)比較大。由于線圈的加工工藝不夠精密，即便沒有金屬通過線圈時，其輸出端仍會輸出一微小的電壓信號。這個電壓信號經(jīng)過放大電路后也會被大幅度放大，這就導(dǎo)致濾波電路輸出端Vout的信號非常大，超過處理器的A/D采集范圍。

　　為解決這一問題，設(shè)計如圖6所示電路，經(jīng)過多級二極管和電阻，輸出一個只有上半周正弦波的電信號，這樣就能被處理器的A/D正確采集，從而做出分析和處理。

6 系統(tǒng)供電電路

　　本設(shè)計中用到多組供電電路，其中處理器和AD9833的供電電壓為+5V;LM3886功率放大電路的供電電壓為±15V;接收信號的放大濾波電路的供電電壓為±9V。需用到78和79系列電源芯片對線性電源進行降壓，以便分配給各個電路子系統(tǒng)。

7 程序設(shè)計

　　用Code Composer Studio(CCS)軟件設(shè)計并調(diào)試了以下程序：首先通過SPI通信控制AD9833，使其輸出一個穩(wěn)定的16.6kHz的正弦波。接著用ADC以100kHz的采樣頻率采集2000個點，每采一個值，進行一次比較，求出2000個數(shù)中的最大值。為提高可靠性，上述步驟重復(fù)16次，求出其平均值，并設(shè)定為判定閾值A(chǔ)。然后利用上述方法，實時采集和更新接收線圈電壓采樣最大值，同時與閾值進行比較，從而通過差值判斷是否有金屬顆粒，以及金屬顆粒的大小并發(fā)出警報。

8 結(jié)論

　　本文利用TM4C123G處理器結(jié)合平衡線圈，設(shè)計了一套金屬微顆粒檢測裝置，并可以實現(xiàn)報警和在液晶屏上顯示金屬顆粒大小估計值的功能。這得益于此處理器強大的運算和處理能力。新型平衡線圈的使用是本設(shè)計的一個亮點，該結(jié)構(gòu)使待檢測物體的尺寸不受線圈的限制，是原來線圈的一個改進。但目前市面上并沒有平衡線圈的成品，所以本設(shè)計所用線圈是用漆包線手工纏繞制作而成，效果難免不夠理想。若由機器制作，則精度還可大幅提升。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第42頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。