基于TM4C123G的金屬微顆粒探測系統研究與實(shí)現

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(yáng) 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(xiàn)圈為傳感器探頭，實(shí)現檢測金屬微顆粒異物并報警的系統設計方案。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、系統供電電路四部分構成。經(jīng)過(guò)實(shí)物測試，該系統工作穩定、反應靈敏，是一套可靠的金屬微顆粒檢測報警裝置。

引言

　　金屬探測器在現代社會(huì )生活中的應用越來(lái)越廣泛，從最初應用在探雷和探測地下金屬開(kāi)始，發(fā)展到現在的安保、食品、制藥等方面的檢測，其作用越來(lái)越凸顯^[1]。與此同時(shí)，功能上的提高和完善也受到廣大客戶(hù)的關(guān)注。為了適應工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展要求，研制穩定、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(zhù)手設計并實(shí)現了一臺金屬微顆粒檢測報警樣機。該樣機基于數字信號處理技術(shù)，采用新型“平衡線(xiàn)圈”作為傳感器探頭，選用TI基于Cortex-M4內核的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(hù)界面友好。

1 系統整體方案

　　系統結構框圖如圖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(jìn)行功率放大后送入發(fā)射線(xiàn)圈。接收線(xiàn)圈將接收的差分信號送入由NE5532和OPA2134構成的放大濾波電路后，經(jīng)MCU自帶的12位ADC采樣送入其內部進(jìn)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(xiàn)圈

　　平衡線(xiàn)圈結構如圖2所示，上面是發(fā)射線(xiàn)圈，通以正弦信號;下面是兩個(gè)首尾相接的接收線(xiàn)圈，當發(fā)射與接收線(xiàn)圈之間有金屬顆粒通過(guò)時(shí)，會(huì )導致兩個(gè)接收線(xiàn)圈的感應電動(dòng)勢不平衡，從而在兩根引線(xiàn)之間產(chǎn)生電動(dòng)勢。通過(guò)對此電動(dòng)勢的有無(wú)及大小進(jìn)行檢測，就可以判斷金屬顆粒是否存在^[9-10]。

　　發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)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(xiàn)圈時(shí)，要盡可能地保證線(xiàn)圈左右對稱(chēng)，且與發(fā)射線(xiàn)圈平行。理想情況下，當沒(méi)有金屬顆粒通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，接收線(xiàn)圈輸出為0。而實(shí)際中，由于加工精度不夠或漆包線(xiàn)纏繞形狀不完全一致等因素，都會(huì )對平衡線(xiàn)圈產(chǎn)生不良影響——即便無(wú)金屬通過(guò)線(xiàn)圈，在接收線(xiàn)圈的輸出端，仍會(huì )有一電壓信號輸出，這就需要后續電路的調理。

3 信號發(fā)生芯片

　　AD9833是一個(gè)低功耗、頻率可編程的正弦波、三角波和方波波形發(fā)生器，廣泛應用于各種測量、激勵和時(shí)域響應領(lǐng)域。其輸出信號的頻率和相位可編程，很容易調整，無(wú)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，不足以驅動(dòng)發(fā)射線(xiàn)圈這樣的電感元件，所以需要設計此功率放大電路，以保證有足夠大的電流。

　　本設計功放電路如圖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)越的驅動(dòng)能力。本設計中的正弦信號為16.6kHz，適合采用此音頻功放。

5 接收信號的硬件調理電路

　　在接收線(xiàn)圈的輸出端，會(huì )有一個(gè)差分信號，將此信號通過(guò)放大、濾波、降壓這一系列的硬件調理之后，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，本設計采用NE5532作為前級運放，具有相當好的噪聲性能，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(jìn)行低噪聲放大。NE5532采用同向放大，此時(shí)的輸入阻抗比較大。

　　放大后需要對含有噪聲的信號進(jìn)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(shí)現高精度檢測，所以放大電路中的放大倍數比較大。由于線(xiàn)圈的加工工藝不夠精密，即便沒(méi)有金屬通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)，其輸出端仍會(huì )輸出一微小的電壓信號。這個(gè)電壓信號經(jīng)過(guò)放大電路后也會(huì )被大幅度放大，這就導致濾波電路輸出端Vout的信號非常大，超過(guò)處理器的A/D采集范圍。

　　為解決這一問(wèn)題，設計如圖6所示電路，經(jīng)過(guò)多級二極管和電阻，輸出一個(gè)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 系統供電電路

　　本設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(xiàn)性電源進(jìn)行降壓，以便分配給各個(gè)電路子系統。

7 程序設計

　　用Code Composer Studio(CCS)軟件設計并調試了以下程序：首先通過(guò)SPI通信控制AD9833，使其輸出一個(gè)穩定的16.6kHz的正弦波。接著(zhù)用ADC以100kHz的采樣頻率采集2000個(gè)點(diǎn)，每采一個(gè)值，進(jìn)行一次比較，求出2000個(gè)數中的最大值。為提高可靠性，上述步驟重復16次，求出其平均值，并設定為判定閾值A。然后利用上述方法，實(shí)時(shí)采集和更新接收線(xiàn)圈電壓采樣最大值，同時(shí)與閾值進(jìn)行比較，從而通過(guò)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 結論

　　本文利用TM4C123G處理器結合平衡線(xiàn)圈，設計了一套金屬微顆粒檢測裝置，并可以實(shí)現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(xiàn)圈的使用是本設計的一個(gè)亮點(diǎn)，該結構使待檢測物體的尺寸不受線(xiàn)圈的限制，是原來(lái)線(xiàn)圈的一個(gè)改進(jìn)。但目前市面上并沒(méi)有平衡線(xiàn)圈的成品，所以本設計所用線(xiàn)圈是用漆包線(xiàn)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第42頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。