作者 王明全 袁程磊 李治华 王远航 东北大学 计算机科学与工程学院(沈阳 110819)
摘要：本文介绍了一种运用TM4C123G微处理器作为主操控器，选用新式平衡线圈为传感器探头，完成检测金属微颗粒异物并报警的体系规划计划。该计划由正弦信号产生电路、差分信号处理电路、处理器电路、体系供电电路四部分构成。经过什物测验，该体系作业安稳、反响活络，是一套牢靠的金属微颗粒检测报警设备。
导言
金属勘探器在现代社会生活中的使用越来越广泛，从开端使用在探雷和勘探地下金属开端，开展到现在的安保、食物、制药等方面的检测，其作用越来越凸显[1]。与此一起，功用上的进步和完善也遭到广大客户的重视。为了习惯工业出产的开展要求，研发安稳、牢靠、高精度、便于操作的新式金属检测设备是一项十分重要的课题[2]。针对以上布景与要求，在参阅很多学位论文[3-9]后，着手规划并完成了一台金属微颗粒检测报警样机。该样机根据数字信号处理技能，选用新式“平衡线圈”作为传感器探头，选用TI根据Cortex-M4内核的TM4C123GH6PM微操控器(MCU)作为中心处理器，使得样机检测精度高、处理速度快，且用户界面友爱。
1 体系全体计划
体系结构框图如图1所示。首要由MCU操控信号产生芯片AD9833生成正弦信号，再经LM3886进行功率扩大后送入发射线圈。接纳线圈将接纳的差分信号送入由NE5532和OPA2134构成的扩大滤波电路后，经MCU自带的12位ADC采样送入其内部进行处理。若检测到金属，则蜂鸣器宣布正告，并在液晶屏上显现金属颗粒尺度的估计值。
2 新式平衡线圈
平衡线圈结构如图2所示，上面是发射线圈，通以正弦信号;下面是两个首尾相接的接纳线圈，当发射与接纳线圈之间有金属颗粒经过期，会导致两个接纳线圈的感应电动势不平衡，然后在两根引线之间产生电动势。经过对此电动势的有无及巨细进行检测，就可以判别金属颗粒是否存在[9-10]。
发射线圈和接纳线圈作为金属勘探器中最重要的传感器单元，对加工工艺要求比较严厉。在制造接纳线圈时，要尽或许地确保线圈左右对称，且与发射线圈平行。抱负情况下，当没有金属颗粒经过线圈时，接纳线圈输出为0。而实践中，因为加工精度不行或漆包线环绕形状不完全共同等要素，都会对平衡线圈产生不良影响——即使无金属经过线圈，在接纳线圈的输出端，仍会有一电压信号输出，这就需求后续电路的调度。
3 信号产生芯片
AD9833是一个低功耗、频率可编程的正弦波、三角波和方波波形产生器，广泛使用于各种丈量、鼓励和时域呼应范畴。其输出信号的频率和相位可编程，很简单调整，无需外接器材。频率寄存器为28位，假如基准频率输入为25MHz，信号输出最小精度为0.1Hz。相同，假如基准频率输入为1MHz，则信号输出最小精度为0.004Hz。
4 功率扩大电路
从AD9833输出的正弦波功率太小，不足以驱动发射线圈这样的电感元件，所以需求规划此功率扩大电路，以确保有足够大的电流。
本规划功放电路如图3所示，选用美国NS公司推出的大功率音频扩大集成芯片LM3886，该芯片常常用于高保真音响的后级功放，具有优胜的驱动才能。本规划中的正弦信号为16.6kHz，合适选用此音频功放。
5 接纳信号的硬件调度电路
在接纳线圈的输出端，会有一个差分信号，将此信号经过扩大、滤波、降压这一系列的硬件调度之后，就可以输入到单片机的AD端口。
扩大电路如图4所示，需求挑选低噪声运放作为前端扩大器，本规划选用NE5532作为前级运放，具有相当好的噪声功用，输入噪声电压小，仅为5nV/Hz，增益带宽积为10MHz，合适对16.6kHz的正弦小信号进行低噪声扩大。NE5532选用同向扩大，此刻的输入阻抗比较大。
扩大后需求对含有噪声的信号进行滤波，其电路如图5所示。Vin为从NE5532中输出的信号，Vout为滤波输出信号。
因为要完成高精度检测，所以扩大电路中的扩大倍数比较大。因为线圈的加工工艺不行精细，即使没有金属经过线圈时，其输出端仍会输出一细小的电压信号。这个电压信号经过扩大电路后也会被大幅度扩大，这就导致滤波电路输出端Vout的信号非常大，超越处理器的A/D收集规模。
为处理这一问题，规划如图6所示电路，经过多级二极管和电阻，输出一个只要上半周正弦波的电信号，这样就能被处理器的A/D正确收集，然后做出剖析和处理。
6 体系供电电路
本规划中用到多组供电电路，其间处理器和AD9833的供电电压为+5V;LM3886功率扩大电路的供电电压为±15V;接纳信号的扩大滤波电路的供电电压为±9V。需用到78和79系列电源芯片对线性电源进行降压，以便分配给各个电路子体系。
7 程序规划
用Code Composer Studio(CCS)软件规划并调试了以下程序：首要经过SPI通讯操控AD9833，使其输出一个安稳的16.6kHz的正弦波。接着用ADC以100kHz的采样频率收集2000个点，每采一个值，进行一次比较，求出2000个数中的最大值。为进步牢靠性，上述过程重复16次，求出其平均值，并设定为断定阈值A。然后使用上述办法，实时收集和更新接纳线圈电压采样最大值，一起与阈值进行比较，然后经过差值判别是否有金属颗粒，以及金属颗粒的巨细并宣布警报。
8 定论
本文使用TM4C123G处理器结合平衡线圈，规划了一套金属微颗粒检测设备，并可以完成报警和在液晶屏上显现金属颗粒巨细估计值的功用。这得益于此处理器强壮的运算和处理才能。新式平衡线圈的运用是本规划的一个亮点，该结构使待检测物体的尺度不受线圈的约束，是本来线圈的一个改善。但现在市面上并没有平衡线圈的制品，所以本规划所用线圈是用漆包线手艺环绕制造而成，作用不免不行抱负。若由机器制造，则精度还可大幅提高。
参阅文献：
[1]周意和.食物出产过程中金属异物检测体系规划[D].内蒙古科技大学,2014.
[2]蓝天宇.根据DSP的金属检测体系规划[D].西南交通大学,2009.
[3]刘淑琴.智能型金属勘探器研讨[D].南昌大学,2005.
[4]陈金勇.根据ARM的金属检测机嵌入式操控体系[D].上海海事大学,2006.
[5]张玥.根据Cortex-M3的金属检测体系[D].北京邮电大学,2013.
[6]张忠祥.根据ATmega8515操控的金属勘探器研讨[D].山东大学,2009.
[7]黄勇.金属勘探器的研讨与规划[D].华南理工大学,2010.
[8]范丽珍,李树华.根据单片机的智能型金属勘探器的规划[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2006,02:185-189.
[9]任稷松.根据DSP的高精度金属勘探器研讨[D].山东大学,2012.
[10] S Yamazaki,T Negishi,H Nakane,A Tanaka.Simultaneous measurement of eledtric and magnetic properties of a spherical sample. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement . 1996.
本文来源于《电子产品世界》2017年第2期第42页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
