基于TM4 C123G的金屬微顆粒探測系統研究與實現

王明全　袁程磊　李治華　王遠航

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。經過實物測試，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。

關鍵詞：金屬檢測；平衡線圈；TM4C123G

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.012

引言

金屬探測器在現代社會生活中的應用越來越廣泛，從最初應用在探雷和探測地下金屬開始，發展到現在的安保、食品、制藥等方面的檢測，其作用越來越凸顯。與此同時，功能上的提高和完善也受到廣大客戶的關注。為了適應工業生產的發展要求，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。針對以上背景與要求，在參考眾多學位論文后，著手設計并實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，采用新型“平衡線圈”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控制信號發生芯片AD9833生成正弦信號，再經LM3886進行功率放大后送入發射線圈。接收線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MCU自帶的12位ADC采樣送入其內部進行處理。若檢測到金屬，則蜂鳴器發出警告，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

平衡線圈結構如圖2所示，上面是發射線圈，通以正弦信號；下面是兩個首尾相接的接收線圈，當發射與接收線圈之間有金屬顆粒通過時，會導致兩個接收線圈的感應電動勢不平衡，從而在兩根引線之間產生電動勢。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。

發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，且與發射線圈平行。理想情況下，當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，這就需要后續電路的調理。

3 信號發生芯片

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生器，廣泛應用于各種測量、激勵和時域響應領域。其輸出信號的頻率和相位可編程，很容易調整，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，不足以驅動發射線圈這樣的電感元件，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，該芯片經常用于高保真音響的后級功放，具有優越的驅動能力。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。

由于要實現高精度檢測，所以放大電路中的放大倍數比較大。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。這個電壓信號經過放大電路后也會被大幅度放大，這就導致濾波電路輸出端Vout的信號非常大，超過處理器的A/D采集范圍。

為解決這一問題，設計如圖6所示電路，經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系列電源芯片對線性電源進行降壓，以便分配給各個電路子系統。

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SPI通信控制AD9833，使其輸出一個穩定的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出警報。

8 結論

本文利用TM4C123G處理器結合平衡線圈，設計了一套金屬微顆粒檢測裝置，并可以實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。新型平衡線圈的使用是本設計的一個亮點，該結構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。