LDC1000的金属物体探测定位器.docx
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LDC1000的金属物体探测定位器
一、金属探测器的开展及其现状
随着科技水平的蓬勃开展，金属探测器的功能也随之增加。
在1960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。
随着社会的不断开展，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平安检查中。
直到现在平安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安康。
一个优质的产品带动着行业的开展，产业的提升。
金属探测器的开展经历了好几次科学技术的革新,从开场的信号模拟技术，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、还是探测的准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平安问题上，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检测到数据进展分析处理后驱动电机运动，从而实现被测金属物体的准确定位。
充分利用LDC1000在微距检测和准确定位方面的优势，实现了快速、准确、高效的金属物体定位。
到达了低本钱，自动化水平高的功能。
二、LDC1000数字电磁传感器
2.1LDC1000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，低本钱的优良性质。
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，它的本钱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本钱下，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、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、低本钱的输出仅为“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技术的优势表达：
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，这样就防止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.更低的本钱：
采用低本钱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：
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缺乏8.5mw，在待机模式下功率缺乏1.25mw；
2.4LDC的原理和内部构造
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5KHZ~5MHZ,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本钱，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，将会在金属的外表产生涡流。
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，对这一变化进展判断便可根本确定硬币的位置。
理论上其感应信号最大的地方为它的中心，程序可以根据一个准确的定位，使传感器上的标志物指向金属物体的中心。
图1LDC实物图
图2LDC1000内部构造图
图3LDC100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，那么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）LDC1000硬件设计—引脚的连接和线图的设计
图5LDC1000与MCU的连接原理图
图6LDC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表达了Slave的角色。
LDC1000界面
F5529LP界面
MCU界面
说明
SDO
P4.2/UCB1SOMI
MISO
SPI数据输出
SDI
P4.1/UCB1SOMI
MOSI
SPI数据输入
SCLK
P4.3/UCB1CLK
SCLK
SPI时钟信号
CSB
P4.0/UCB1STE
GPIO
从设备使能信号
INT
P1.2
INT/GPIO
中断界面
TBCLK
P1.0/ACLK
Timer/AuxCLK
频率计数时钟频率
VIO
3V3
供电界面
+5V
5V
GND
GND
NA
P7.0
红色LED
NA
P1.1
绿色LED
表格1数据管脚定义表界面
按照上述进展硬件连接，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;SS
MOSI：
主器件数据输出，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。
图7SPI总线
使用MSP430F5529硬件SPI界面模块，按照选择的模块引脚对SPI进展配置，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）进展通讯的时候，应该遵循以下几个步骤：
1.片选信号置零；
2.MSP430通过SPI线向LDC1000写入访问存放器地址，其中最高位0表示写入，1表示读出，其余7位为存放器的地址；
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存放器的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存放器中；
6.片选信号置高，释放对该从机的控制。
图8LDC1000SPI读写时序
2.7LDC1000内部存放器的设置
（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，就需要我们进展合理的设置RpMIN和RpMAX存放器的数值，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。
首先通过表格选取两个适宜的RpMIN和RpMAX值填入存放器中；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
ProximitydataistheLDCoutput,registeraddress0x21and0x22
图9Rp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，此时的涡流到达了最大，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
Sensorfrequency,f=（1/3）*（Fext/Fcount）*（ResponseTime）
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：
Outputdatarete=f/（ResponseTime/3）,Samplepersecond（SPS）
通过简单的化简计算我们可以得出
Outputdatarate=Fext/Fcount
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金属探测器的组成局部和功能
3.1.1原件布局图
图10金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
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