ldc1000的金属物体探测定位器

1、金属探测器的发展及其现状 随着科技水平的蓬勃发展，金属探测器的功能也随之增加。在 1960 年诞生出了全球 第一台金属探测器，出生在工业时代的金属探测器其主要应用在工矿业，是检查矿产纯度， 提高矿产效率的得力帮手。随着社会的不断发展，形形色色的犯罪案件层出不穷，金属探 测器也有了它新的使命，在 1970 年金属探测器被广泛的使用在安全检查中。直到现在安全 检查仍在使用金属探测器，无时无刻的保护着我们的生活安稳和身体的健康。 一个优质的产品带动着行业的发展，产业的提升。金属探测器的发展经历了好几次 科学技术的革新,从开始的信号模拟技术，到今天使用的数字脉冲技术，都让金属探测器无 论是灵敏度、分辨率、还是探测的精确度上都有了质一样的飞跃。 如今，金属探测器不仅仅局限在安全问题上，考古方面甚至在我们的食品方面都有 了金属探测的踪影，因为它不仅能检测到军火、管制刀具、硬币、还能检测到食品中的金 属杂质。跟传统的金属探测器相比，现代金属探测器拥有着扫描快、灵敏度高、小巧携带 方便的诸多优点，所以受到了人们越来越多的青睐和好评。 按照目前市场上金属探测器远离和检测线路的不同，大致可以分为差拍式、自激感应式、 耗能式和平衡式四种类型。传统的金属探测器，容易受到灰尘，水分，湿度等众多因素的 干扰，导致着检测精度和探测器智能化程度低，不可以直接显示实时的运行参数，系统的 维护不够方便，直接影响了人员的使用和测试的结果。 我们采用的是以 MSP430F5529 单片机和 LDC1000 电感/数字转换器为核心，基于 LDC1000 的金属探测模块、系统控制与定位模块、电机及驱动模块、电源模块和机械滑动 平台。Ldc1000 电感/数字转换器利用 PCB 线圈或自制线圈可以实现非接触式电感线圈检测， 通过分析待测金属物体对电感线圈磁场的影响可以很方便地实现金属检测。对 ldc1000 检 测到数据进行分析处理后驱动电机运动，从而实现被测金属物体的精确定位。充分利用 LDC1000 在微距检测和精确定位方面的优势，实现了快速、精确、高效的金属物体定位。 达到了低成本，自动化水平高的功能。 二、LDC1000 数字电磁传感器 2.1 LDC1000 的简介 Ldc1000 是美国德州仪器公司 TI 推出的一块全新的电感数字转换器(LDC) ，具有 低功耗，小封装，低成本的优良性质。它的 SPI 界面可以很方便的连接 MCU。LDC1000 只需要外接一个 PCB 线圈或者自制线圈就可以实现非接触式电感检测。LDC1000 的电感 检测并不是指像 Q 表那样测试线圈的电感量，而是可以测试外部金属物体和 LDC1000 相 连的测试线圈的空间位置关系。 利用 LDC1000 这个特性配以外部设计的金属物体即可很方便实现，水平或垂直距离检 测；角度检测；位移监测；运动检测；振动检测；金属成分检测；可以广泛应用在汽车、 消费电子、计算机、工业、通信和医疗领域。 2.2 其他传感器的缺点 其他的传感技术：大致上可以分为六大种，1 开关传感器，它的成本很低但是在恶 劣环境下不可靠；2 压力感测器，比前者可靠，但是分辨率有限而且不适合远距离传感；3 超声波传感，是一种前沿技术，有着很高的精度，但不适合于恶劣的环境；4 电容式传感 器，是智能手机普遍采用的传感器，具有灵敏度高，但是物体的选择性差；5 霍尔传感器， 它需要磁体和校准；6 光学传感器，在恶劣的环境下不可靠。 2.3 LDC1000 的主要特点 LDC1000 将线圈和弹簧用作电感传感器，使它能在更低的系统成本下，保持和实 现更高的分辨率、可靠性以及灵活性。LDC1000 不仅可以测量位置，运动。或者金属和导 体的构成，甚至可以检测弹簧的压缩、扩张与扭曲度，应用的范围非常广泛。放眼现在存 在的传感器，无论是高灵敏度还是高精度的高端传感器，更甚是低端、低成本的输出仅为 “0”和“1”的开关传感器，这些功能 TI 公司首创的 LDC1000 都可以完美胜任。 LDC 技术的优势体现： 1.更高的分辨率：通过 16 位共振阻抗以及 24 位电感值，在位置感应应用中可实现亚 微米级的分辨率； 2.更高的可靠性：提供非接触传感技术，这样就避免了与油污尘土等非导电污染物的 影响，可以延长设备的使用寿命； 3.更高的灵活性：允许传感器远离电子产品安放，处于 PCB 无法安置的地理位置； 4.更低的成本：采用低成本传感器以及传导目标，更不像霍尔传感器一样需要磁体； 5.无限的可能性：支持压缩的金属薄片或导油墨的目标，为创新性系统提供了无限的 可能； 6.更低的系统功率：在标准工作时的工作功率不足 8.5mw，在待机模式下功率不足 1.25mw； 2.4 LDC 的原理和内部结构 LDC 实际上是一个特殊的 ADC，外接一个传感线圈。它的采集的信号有两个：传 导的目标接近时导致的线圈涡流损耗（RP),以及线圈的电感值（L)。根据线圈的不同，这 个传感回路的震荡频率范围为 5KHZ5MHZ,涡流损耗 Rp 的分辨率是 16 位，电感测量 L 的分辨率为 24 位。为了进一步减小传感器的体积和成本，传感线圈可采用 PCB 线圈。 LDC1000 的检测原理是利用大学物理中学到的电磁感应原理。在 PCB 线圈或者 自制线圈中加上交变电流，线圈周围就会产生交变磁场。这时，如果有金属物体的进入磁 场，将会在金属的表面产生涡流。涡流电流跟线圈的电流方向相反，产生的电磁场与线圈 产生的相反。所以，涡流是金属物体距离，大小，成分的函数。涡流产生的反向磁场与线 圈耦合在一起，就象是有另一个次先线圈一样，这样就形成一个变压器。由变压器的互感 作用，在初级线圈的这一侧就可以检测到次级线圈的参数。所以当有金属物体接近时，就 会使传感器的数值发生变化，对这一变化进行判断便可基本确定硬币的位置。理论上其感 应信号最大的地方为它的中心，程序可以根据一个精确的定位，使传感器上的标志物指向 金属物体的中心。 图 1 LDC 实物图 图 2 LDC1000 内部结构图 图 3 LDC100 原理图 涡流产生的反向磁场跟线圈耦合在一起，就象是有另一个次级线圈一样。这样 LDC1000 的线圈作为初级线圈，涡流效应作为次级线圈，就形成一个变压器。由于变压器 的互感作用，在初级线圈这一侧就可以检测到次级线圈的参数了。 图 4 互感 图中 Ls 是初级线圈的电感值，Rs 是初级线圈的寄生电阻。L（d）是互感值，R（d） 是互感的寄生电阻，在上图中用 d 表示距离的函数。 交变电流如果只加在电感（初级线圈）上，则在产生交变磁场的同时也会消耗大量的能量， 这时将一个电容并联在电感上，由于 LC 振荡器的并联谐振作用能量损耗大大减小，只会 损耗在 Rs 和 R（d）上 3 2.5 LDC1000 模块设计 （1）LDC1000 硬件设计引脚的连接和线图的设计 图 5 LDC1000 与 MCU 的连接原理图 图 6 LDC 电路图 LDC1000 与 MCU 的连接如图。采用了四线制 SPI 的连接方式， MCU 通过 SPI 连接 （SDI、SDO 、 SCLK、CSB）实现对 LDC1000 的控制，以及数据的读取。在 SPI 通信中， LDC1000 体现了 Slave 的角色。 LDC1000 界面 F5529LP 界面 MCU 界面 说明 SDO P4.2/UCB1SOMI MISO SPI 数据输出 SDI P4.1/UCB1SOMI MOSI SPI 数据输入 SCLK P4.3/UCB1CLK SCLK SPI 时钟信号 CSB P4.0/UCB1STE GPIO 从设备使能信号 INT P1.2 INT/GPIO 中断界面 TB CLK P1.0/ACLK Timer/Aux CLK 频率计数时钟频率 VIO 3V3 +5V 5V GND GND 供电界面 NA P7.0 红色 LED NA P1.1 绿色 LED 表格 1 数据管脚定义表界面 按照上述进行硬件连接，连接时用 2*5 的双排排母到 EVM 板上，再用杜邦线将排母 连接到 MSP420F5529LP 相应的管脚上，完成后，先用万用表测试，看单片机和 LDC1000 是否连通。在确保连通的情况下再用 USB 线将 MSP420F5529LP 跟计算机相连。 2.6 LDC1000 软件设计 (1)SPI 界面的设计 SPI 在应用中有四根信号线：MOSI;MISO;SCK;SS MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入。 MISO: 主器件数据输入，从器件数据输出。 SCK: 时钟信号，由主设备控制发出。 SS： 从设备选择信号，由主设备控制。 图 7 SPI 总线 使用 MSP430F5529 硬件 SPI 界面模块，按照选择的模块引脚对 SPI 进行配置，函数的 参数值的选定应该根据 LDC1000 的 SPI 通信协议（SPI 通信的时序）在主机（MSP430) 和 从机（LDC1000)进行通讯的时候，应该遵循以下几个步骤： 1.片选信号置零； 2.MSP430 通过 SPI 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，其余 7 位为寄存器的地址； 3.占据八个时钟周期，这段时间内 SDO 线处于高阻状态； 4.如果命令在读写状态时，传输的数据最高位为 1，SDO 在线发送来自其他地址寄存器的 8 位字节； 5.如果命令在读写状态时，SDI 线接收来自 MSP430 的 8 位字节数据写入相应的寄存器中； 6.片选信号置高，释放对该从机的控制。 5 图 8 LDC1000 SPI 读写时序 2.7 LDC1000 内部寄存器的设置 (1)RpMIN 和 RpMAX 值的设定 为了保证 Rp 的实际值落在采样区间内部，而且还要保持一定的精度，就需要我们进行合 理的设置 RpMIN 和 RpMAX 寄存器的数值，我们可以通过一些简单的方法测出 Rp 等效的 最大值和最小值。首先通过表格选取两个合适的 RpMIN 和 RpMAX 值填入寄存器中；然 后我们将金属物体放在距离线圈最近的地点，将 RpMIN 的值一步一步增大使得 CODE 值 接近 25000 时，选取这时的 RpMIN;最后同样的方法的将金属放在线圈最远的地方，这时 涡流损耗最小，RpMAX 会渐渐变小，使得 CODE 值接近 3000 时，选取这时的值作为 RpMAX。 (2)Rp 值的计算公式 152/Pr )1()(aoximtyDY YRpMAXYRpINMIRpAX Proximity data is the LDC output ,register address 0x21and 0x22 图 9 Rp 与 Code 的关系 通过 Rp 的计算公式，可以看出 Rp 跟 Rs 反比，跟 ADC 码值成反比，所以得到结论 ADC 值跟 Rs 成正比，Rs 跟 LC 谐振损耗正比，所以损耗越大，ADC 码输出值越大，通过 图中的左边可以得到 Rp 小于最小设定值时，却得到了最大的码值，这是在物体距离线圈 最近是发生的，此时的涡流达到了最大，损耗很显然最大。 (3)电感的计算公式 LDC1000 测量电感频率是测试 LC 谐振频率的方法。LDC1000 有外部的基准时钟， 使计数方法来做频率计 Sensor frequency, f=(1/3)*(Fext/Fcount)*(Response Time) Fsenser 是 LC 谐振频率，Fext 是外部基准时钟频率，Fcount 是 LDC1000 内部计数器 (4）输出的数据速率 输出数据速率跟 LC 的谐振频率有关，计算方法如下： Output data rete = f /(Response Time/3),Sample per second (SPS) 通过简单的化简计算我们可以得出 Output data rate =Fext/Fcount 所以输出数据速率就是外部基准时钟的 Fcount 分频。 三、基于 LDC1000 的金属探测器 3.1 金属探测器的组成部分和功能 3.1.1 原件布局图 图 10 金属探测器原件布局图 3.1.2 电源电路 电子探测器采用外部电池供电，为整个系统提供三种不同的电压，分别为驱动电路 ， 传感器电路，和为控制器电路提供供电，输入电压控制在 59v 的范围内。 1.电机驱动芯片供电 电子探测器上装有两个永磁式步进电机，系统中直接把电池的输出电压连接到电机驱 动芯片上。 2.系统供电 LM3s615 微控制器需要 3.3v 电压，由 CON2 接头输入外接电源，二极管 D1 是为了防 止电源正负接反设置的，经过 c36，c2 的滤波作用，然后通过 SPX1117M-3.3 将电压稳定 至 3.3v。SPX1117M3-3.3 是 Exar 公司生产的 LDO 芯片，特点是输出电流大，输出电压精 度高，稳定性高，输出电压的范围为 4.7v12v，输出电流可达 800mA。输出端的 c3，c4 用来改善瞬间状态的回应和稳定性，POW 是电源指示灯，当系统接通电源后灯被点亮。 R9 和 R15 构成一个分压电路，ADC0 连接到 LM3S615 上，可以检测电池的电压。 图 11 3.3v 电源电路 3.1.3 传感器供电 电子探测器使用的是红外线传感器，它的工作电压为 5v，可以把电池的输出电压经过 LDO 稳定到 5v，但电池电压低时，系统不能为传感器提供稳定的电源，这将影响到传感 器的灵敏度。 综合考虑，我们把系统中稳定的 3.3v 电压升到 5v，升压的芯片选用 Exar 公司生产的 低静态电流、高效率的升压芯片 SP6641A。 图 12 5v 升压电路 7 3.1.4JTAG 界面电路 电子探测器应用的是 10 脚的 JTAG 界面。与 LM LINK 兼容。 图 13 JTAG 界面电路 3.1.5 按键电路 在电子探测器上有一个按键，在按键电路中 c24 的作用是消除按键抖动产生的毛刺干扰 信号。 图 14 按键电路 3.1.6 红外检测电路 红外检测电路适用于迷宫挡板的检测，分为左方，左前方，前方，右前片，右方五个方 向，五个方向的传感器电路相同。 图 15 红外检测电路 U5 是一体式红外接收传感器，型号为 IRM8601S。接头内部集成自动增益控制电路、 带滤波电路，解码电路和输出驱动电路。接头对 38KHZ 的红外线信号最为敏感，当它检 测到有效红外信号时输出低电平，否则输出高电平。 RF1 为红外发射头，w5 为限流可调电阻，用来调节发射红外线的强度。W1 与 RF1 组 成红外线发射电路，控制红外线发射的端口连接到微控制器，在五组的传感器中， RF1，RF3，RF5 共同连接到 PE0 端口;RF2,RF4 连接 PB0 端口。U1U5 输出信号连接微控 制器 PB1PB5 端口 3.1.7 电机驱动电路 图 16 电机驱动电路 图中四个输入控制端口 IN11，IN12 、IN21、IN22 分别连接 LM3S615 的 PD0、PD1、PD2 、PD3 四个端口。 BA6845FS 是步进电机驱动芯片，每个芯片有两个 H 桥，