LDC1000電感數(shù)字傳感器的轉(zhuǎn)速測量設(shè)計(jì)

李峰，祝忠明，陽光,王超宇,薛強(qiáng)

(成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610059)

LDC1000電感數(shù)字傳感器的轉(zhuǎn)速測量設(shè)計(jì)

李峰，祝忠明，陽光,王超宇,薛強(qiáng)

(成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610059)

不同于傳統(tǒng)檢測轉(zhuǎn)速的方法，本測量方法在金屬齒輪轉(zhuǎn)速的檢測方法中提出了新的設(shè)計(jì)思路，以LDC1000電感數(shù)字傳感器為核心，以低功耗、低成本的MSP430F149為主控芯片，加上自制電感線圈來完成轉(zhuǎn)速測量。射頻收發(fā)芯片nRF24L01作為轉(zhuǎn)速信息數(shù)據(jù)傳輸裝置，發(fā)展前景良好。本文分析了轉(zhuǎn)速測量的理論依據(jù)，給出電路原理圖及其程序流程，實(shí)現(xiàn)對金屬齒輪的轉(zhuǎn)速測量、數(shù)據(jù)的傳輸共享。

MSP430F149;LDC1000;nRF24L01;轉(zhuǎn)速測量

引 言

傳統(tǒng)的檢測轉(zhuǎn)速方法可分為接觸式和非接觸式兩種：接觸式要求被測旋轉(zhuǎn)裝置與傳感器直接相連接，安裝要求較高；而一般的非接觸式則大多利用光電編碼，但不同的場合需要不同類型的編碼器。在特殊工業(yè)要求下，檢測裝置不能接觸到被測量物體，或使用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測方法難以達(dá)到預(yù)期的效果。

被測物體的運(yùn)動速度范圍不同，再考慮環(huán)境溫度，選擇時(shí)不僅要考慮傳感器和測速儀滿足測量范圍,而且還要滿足環(huán)境溫度。TI公司的LDC1000系列在灰塵、油和潮濕等惡劣的條件環(huán)境中能穩(wěn)定工作并且有較高分辨率，對線性位置、位移、金屬成份實(shí)現(xiàn)高精度的測量，這樣就使得轉(zhuǎn)速測量問題有了新的解決方案和途徑。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為三部分。

第一部分是16位超低功耗的混合信號處理器MSP430F149單片機(jī)與各個(gè)模塊之間的通信構(gòu)建和數(shù)據(jù)處理的實(shí)現(xiàn)。擁有強(qiáng)大的處理能力和方便高效的開發(fā)環(huán)境，和官方推薦與傳感器匹配使用的主控芯片同屬M(fèi)SP430系列，完全滿足設(shè)計(jì)需求。利用單片機(jī)的SPI接口與LDC1000進(jìn)行讀寫命令和數(shù)據(jù)的讀取操作。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

第二部分是LDC1000電感數(shù)字電路設(shè)計(jì)和自制線圈電路，本設(shè)計(jì)采用銅絲進(jìn)行繞制，與電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。自制的線圈上通入交流電流就會產(chǎn)生交流磁場。金屬齒輪作為一個(gè)金屬靶，當(dāng)位于線圈附近時(shí)，線圈產(chǎn)生的交變磁場引起自制線圈表面循環(huán)電流，也就是渦流電流。渦流電流的大小是關(guān)于到線圈距離和線圈直徑的函數(shù),渦流然后產(chǎn)生一個(gè)與線圈相反的磁場。利用渦流效應(yīng)，自制線圈諧振時(shí)會產(chǎn)生磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)動的金屬齒輪進(jìn)入磁場之后，會產(chǎn)生反向的不同的渦流電流，以此為依據(jù)來確定金屬齒輪齒頂點(diǎn)、齒低點(diǎn)和空間相對所在位置。

第三部分是同樣采用另一組SPI接口與nRF24L01之間進(jìn)行轉(zhuǎn)速信息的傳輸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

金屬齒輪轉(zhuǎn)速檢測是利用電感感測技術(shù)，精確地檢測金屬齒輪在自制線圈中所產(chǎn)生磁場中的空間位置，設(shè)計(jì)的任務(wù)在于傳感器電路搭建與LC諧振之間的匹配，需要考慮線圈的直徑、繞制的材料、繞制的方式等，且在同一種繞制方式下，一定范圍內(nèi)線圈的直徑與檢測范圍成正比。

LDC1000的數(shù)據(jù)輸出SDO、數(shù)據(jù)輸入SDI與單片機(jī)的SPIA_MOSI、SPIA_MISO相連接。時(shí)鐘信號端SPIA_SCLK提供LDC1000工作時(shí)鐘。CSB是使能端口，由MSP430F149的P1.6引腳提供。INTB端口的中斷輸入與P1.7端口連接，作為頻率計(jì)數(shù)的時(shí)鐘信號[5]，具體連接如圖2所示。

圖2 MSP430F149與LDC1000連接圖

在圖2中，采用+5V的USB供電，一方面，使用AMS1117-3.3芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換3.3 V電壓，為單片機(jī)供電。AMS1117是具有降穩(wěn)壓器功能的低壓轉(zhuǎn)換芯片，擁有1% 的有效精度，為主控芯片提供+3.3 V正常工作的電壓。另一方面，+5 V直接向LDC1000提供工作電壓。LDO需要56 nF的電容從CLDC引腳連接到地。LDC1000的電路原理如圖3所示。

圖3 LDC1000電路原理圖

圖3中，J1端口接自制線圈，與電容C3構(gòu)成LC電路，LDC1000為LC諧振提供諧振所需的能量，通過LC時(shí)檢測阻抗和LC諧振的諧振頻率，實(shí)時(shí)地檢測由LC諧振耗散的能量。通過測量的諧振功率可以確定等效電阻Rp值。圖4是LC并聯(lián)諧振Rp等效電路。

圖4 LC并聯(lián)諧振Rp 等效電路圖

LDC1000能運(yùn)行的關(guān)鍵在于CFA與CFB端口濾波電容的選取，一般是陶瓷電容,范圍為20 pF～100 nF，電容的值取決于感測線圈的時(shí)間常數(shù)，對于自制線圈來說100 pF的值一般滿足濾波要求。為了盡量減少寄生效應(yīng)，CFA和CFB引腳到陶瓷電容兩端的距離應(yīng)盡可能短。

LDC1000的時(shí)鐘可由外部時(shí)鐘或晶振提供，外部時(shí)鐘通過微控制器ACLK與TBCLK端口相連，若是用晶振提供則在XOUIT和TBCLK加上晶振即可，本設(shè)計(jì)由MSP430提供，故XOUT懸空。

自制的線圈，使用直徑為2 mm繞制29圈，測試電感值約為100 μH。當(dāng)金屬齒輪在線圈產(chǎn)生的交變程磁場出現(xiàn)時(shí)，齒頂點(diǎn)離線圈較近，經(jīng)過內(nèi)部的等效電路，可以得到等效電阻Rp的損耗，就可以間接地算出金屬齒輪的齒頂點(diǎn)和齒低點(diǎn)到分別線圈的距離，根據(jù)兩個(gè)齒頂點(diǎn)之間的時(shí)間和齒輪數(shù)就可計(jì)算出轉(zhuǎn)速。計(jì)算轉(zhuǎn)速的公式為：

n=60×t/((N-1)×M)

其中t為選取經(jīng)過N次齒頂點(diǎn)的時(shí)間，單位為秒(s)；M是金屬齒輪的齒數(shù)；n為轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min)。

MSP430F149有兩個(gè)獨(dú)立工作的SPI接口，互相之間不影響，nRF24L01是工作在2.4 GHz全球公開頻段的無線收發(fā)芯片，可靠性高，信息傳輸安全，電路簡單，技術(shù)成熟，廣泛地應(yīng)用在各種工業(yè)、民用通信設(shè)備中。價(jià)格低廉，易于控制成本價(jià)。使用3.3 V的TTL電平就可使其工作，發(fā)射模式電流僅需要9 mA。圖5為nRF24L01的電路原理圖。

圖5 nRF24L01的電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要分為轉(zhuǎn)速信息獲取和轉(zhuǎn)速信息發(fā)送兩個(gè)部分。系統(tǒng)程序主流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

配置好SPI之后，在SDO端口讀取兩個(gè)8位寄存器0x21和0x22(兩個(gè)寄存器組16位數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)CODE，范圍在0～32 767(216-1)之間。

LDC1000測量不同的實(shí)際應(yīng)用可能有不同的諧振阻抗Rp。阻抗Rp范圍通過兩個(gè)控制寄存器Rp_Min和Rp_Max設(shè)置。對于本設(shè)計(jì)檢測金屬空間位置的要求，Rp范圍設(shè)置不能太小，若超出寄存器設(shè)置所的范圍，收到的CODE將會被鉗住。但是為了保證最佳的分辨率，提高精度，對Rp_Min和Rp_Max值設(shè)置范圍不宜過大。

Rp_Min和Rp_Max最佳值可由以下兩步確定：將齒輪齒頂點(diǎn)放在自制線圈中心的位置處，此時(shí)渦流與Rp為最大，因使用16位的單片機(jī)，所以在保證CODE值余量情況下，逐漸增大Rp_Min的值， CODE在25 000附近時(shí)選擇當(dāng)前的Rp_Min；也是將齒低點(diǎn)放在自制線圈中心的位置處,此Rp和渦流最小，逐漸減小Rp_Max的值使得CODE值在3 000左右時(shí)選擇Rp_Max的值。

芯片片選段(CSB)開始一個(gè)訪問時(shí)，命令字中的R/w位配置讀取。置0表示寫操作，置為1表示讀取操作。輸出數(shù)據(jù)SDO在SCLK的下降沿生效，輸入數(shù)據(jù)SDI采樣在串行時(shí)鐘SCLK的上升沿觸發(fā)。數(shù)據(jù)寫入在SCLK第16個(gè)時(shí)鐘上升沿的時(shí)候觸發(fā)，如果CSB引腳無效時(shí)數(shù)據(jù)不能寫入。

CODE值經(jīng)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速之后，由nRF24L01發(fā)送，在本設(shè)計(jì)中需要把轉(zhuǎn)速信息發(fā)送出去，故配置成發(fā)送端。

nRF24L01配置為發(fā)射模式，用于數(shù)據(jù)的傳輸，片選端(CSN)把發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址和有效數(shù)據(jù)位通過SPI接口寫入到發(fā)送緩存區(qū)，要求必須在CSN連續(xù)低時(shí)寫入，一次成功寫入即可；為了確保發(fā)射成功，置位 (CE) 端口至少保持10 μs高電平的持續(xù)時(shí)間，需要注意的是應(yīng)答接收地址與接收節(jié)點(diǎn)地址要求相同，否則通信不能成功。

4 驗(yàn)證分析

通過對系統(tǒng)的各個(gè)部分的分析和構(gòu)建，實(shí)物如圖7所示。

圖7 實(shí)物圖

等待檢測一段時(shí)間之后將讀到的CODE值在Matlab2010b上打印出隨時(shí)間的變化曲線，如圖8所示。

圖8 CODE隨時(shí)間的變化曲線

由上面可以得出，處于波峰的CODE值較大，即渦流電流大，表示當(dāng)前檢測到是齒頂點(diǎn)部分，在波谷則反之。可以得出當(dāng)前金屬齒輪的轉(zhuǎn)速，且nRF24L01支持一發(fā)多收，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的共享能力，滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié) 語

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李峰(碩士研究生) ,主要研究方向傳感器應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)等。

Metal Gear Speed Measurement System Based on LDC1000

Li Feng,Zhu Zhongming,Yang Guang,Wang Chaoyu,Xue Qiang

(College of Information Science and Technology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

This method is different from the traditional detection speed,a new design idea in the detection of metal gear speed is proposed,which takes the LDC1000 digital inductance sensor as the core,and the low cost MSP430F149 chip as the control core.The homemade inductance coil is used to complete the speed measurement.The RF transceiver chip nRF24L01 is used as a speed information data transmission device which has a good prospect.The theoretical basis of speed measurement is analyzed,and the circuit schematic diagram and program flow chart are given.The system achieves the speed measurement of metal gear and the sharing of data transmission.

MSP430f149;LDC1000;nRF24L01;speed measurement

TP98

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?迪娜

2017-04-06)