LDC1000的金属物体探测定位器

1、一、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I960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

2、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

3、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2.1LDC1000

4、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

5、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。2.3LDC1000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

6、、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

7、：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

8、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2LDC1000内部结

9、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2.5LDC1000模块设计(1) LD

10、C1000硬件设计一引脚的连接和线图的设计图5LDC1000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SDOP4.2/UCB1SOMIMISOSPI数据输出SDIP4.1/UCB1SOMIMOSISPI数据输入SCLKP4.3/UCB1CLKSCLKSPI时钟信号CSBP4.0/UCB1STEGPIO从设备使能信号INTP1.

11、2INT/GPIO中断界面TB CLKP1.0/ACLKTimer/Aux CLK频率计数时钟频率VIO3V3供电界面+5V5VGNDGNDNAP7.0红色LEDNAP1.1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。2.6LDC1000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;SSMOSI :主器件数据输出，

12、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。4SLAVE 5PIMASTER 5=1SHIFT REGISTERBAUD RATEGENERATORMISOMISOMOSIMOSISCKSCK,S'AA A-)ssVDD1图7 SPI总线SHIFT REGISTER5#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

13、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。1234561«9101112131<11516 irjinwiwMuuwinRwlrICSBCOWHAND FIELD| C7CflC5CJC3C2C1IWYfVAI

14、iA6A5A4A3A2A1FWb =尺eadWrte(7-Ws>0. Write Data1 Ftrad DataDATA FIELDD6 D5 D4 M D2 01 D0 |卩砂! D7 K D5 040302 D1 DCliMSO)(LSD)Single- A ecss Cybe#图8LDC1000 SPI 读写时序#62.7LDC1000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

15、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Rp = (RpMAX RpMIN)/(RpMIN (1-丫)RpMAX Y)Y 二 ProximityData/215Proximity data is the LDC output register address 0x21a nd 0x22300002

16、50002000015000100005000Cl1217222732Rp(KQ)374247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Sen sor freque ncy,f=(1/3

17、)*(Fext/Fco un t)*(Resp onse 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 /(Resp onse Time/3),Sample per sec ond (SPS)通过简单的化简计算我们可以得出Output data rate =Fext/Fco unt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

18、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C0N2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

19、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， P0W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113.3v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

20、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。UJITiTTDOJ410Pl I RMIMS1 J V JRPI4TD11i63TMS2TCK1nTRSTLOKJTAG界面电路图133.1.5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。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。

21、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VC cT3-RA2 门卩门I1二口门飞ygjgNCOUTI2VCCI IN 12N22VOC3OLiT22NCGND1OtJTlIGNDLINI 1IN2IGND2CHLTTQM<JND2NCOIJ

22、TI2VCCI "IN 12 <1N22 -VCC2onnr2 - NC LAL213LAZliND3vex?PFMIJt PD5GST)531211卩门7 verLHI710LB2<iNDBAbK45FSMOTOR LLAIL2UTTFP7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，IN11和IN12控制OUT11和OUT12 输出；IN21和IN22控制OUT21和OUT22输出。最大驱动电流为 1A,在输入逻辑的控制下 输出有三种模式：正向、反向和停止。IN11/21IN12/22OUT11/21OUT12/