基于MSP430的磁弹性传感器检测系统设计*

宋岭举， 郑小林， 廖彦剑， 唐　詠

(重庆大学 生物工程学院，重庆 400044)



基于MSP430的磁弹性传感器检测系统设计*

宋岭举， 郑小林， 廖彦剑， 唐詠

(重庆大学 生物工程学院，重庆 400044)

摘要:磁弹性传感器无线无源的优点使其在无损检测、在体分析等领域具有非常广阔的应用前景。通过对磁弹性传感器检测原理的分析，设计了一种基于MSP430平台的小型化磁弹性传感器检测系统。该系统以MSP430单片机为控制核心，利用永磁铁作为偏置磁场激励，集成了交流激励信号产生单元、有效值检测单元和AD采样单元，并通过RS—232实现与上位机之间的通信。实验结果表明:该检测系统可以方便快捷地实现对磁弹性传感器共振特性的检测，具有稳定性好、集成度高、功耗低的特点，能够满足磁弹性传感器在不同状态和环境下共振特性的精确检测需求。

关键词：磁弹性传感器； 共振频率； MSP430； 小型化

0引言

磁弹性传感器具有无线无源、低成本、高灵敏度等诸多优点，可扩展应用于生物在体检测和密闭空间非破坏性检测等多方面应用，获得了越来越广泛的关注，尤其是在生物医学传感器领域[1]。磁弹性传感器通常是由无定形非晶薄膜合金构成，如,1K101，Metglas 2826 MB等合金带材。由焦耳效应可知，这种材料在交变磁场作用下会在纵向形成周期性伸缩振动，其共振频率易受周围环境的影响，可用于测量温度或液体黏度；当微小质量加载到材料表面时，其共振频率发生偏移，频率偏移量近似等比于负载质量变化量[2]。因此，通过在材料表面修饰生化敏感成分，与检测对象发生特异性反应，可用于生化物质和细菌等的检测，如葡萄糖、内毒素、鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌等[3]。

传统的磁弹性传感器检测系统主要是基于大型的实验室仪器，如，阻抗分析仪、网络分析仪、锁相放大器等[4]。这些仪器虽然构建系统简单，但是存在仪器昂贵、体积庞大、操作复杂、难以集成和便携使用等诸多限制。近年来出现的基于集成电路的磁弹性传感器共振特性检测系统弥补了仪器测量的一些不足，但仍存在系统繁杂、功耗过大等缺点，阻碍了磁弹性传感器在多领域应用中潜力的发挥。

本文设计了一种基于MSP430单片机平台的磁弹性传感器检测系统，该系统利用永磁铁提供直流偏置磁场，极大地降低了系统功耗，实现了一种小型化、操作方便、精确可靠的磁弹性传感器共振特性检测方案。

1检测系统的理论基础

磁弹性传感器多是通过共振频率偏移量反映被测物的信息或状态。根据焦耳效应可知，处于自由态下的磁弹性传感器在外部磁场的作用下会发生形变，传感器的纵向振动模型如图1所示。

图1　磁弹性传感器纵向振动模型Fig 1　Magnetoelastic sensor longitudinal vibration model

在x轴方向施加一交变激励磁场，则传感器的纵向振动方程为

(1)

式中u(x,t)为传感器在x轴方向上的时间位移向量，E为杨氏模量，ρ为密度，σ为材料泊松比。由方程(1)可得传感器的基频共振频率[5]为

(2)

式中L为传感器长度。由方程(2)可以看出磁弹性传感器的共振频率受自身的长度、密度等特性影响。而传感器表面质量变化或周围粘粘度变化对共振频率的影响可表示为

近现代闽台方言合唱音乐作品的发展，主要分为四个阶段。一是19世纪末至20世纪20年代，受西方外来文化影响，中国闽南一带开始创办“新学堂”开设“乐歌”课，为现代闽台方言合唱音乐作品发展奠定了基础。闽台是我国较早对外开放的地区，基督教已经获得了广泛传播，在教会的影响下，大量的闽南语白话合唱出现，如歌集《圣诗歌》(1900年传教士甘为霖以《养心圣诗》为蓝本编印)，1912年出版的《养心神诗》(鼓浪屿闽南圣教书局)等。

(3)

式中Δf为质量和黏粘度变化引起的频率偏移量，ms为传感器质量，d为传感器厚度，Δm为质量变化量，η为液体粘度，ρl为液体密度。

检测过程中传感器放入激励线圈和检测线圈中，在激励线圈上施加一定频率的交流电压信号产生交变激励磁场，又由维拉里效应可知，传感器在振动过程中会产生变化的磁通势，根据电磁感应定律，检测线圈中会根据磁通变化大小产生相应的感生电动势。通过不断改变激励信号的频率进行扫频检测，根据共振频率处接收信号的幅值最高的特点可以确定传感器的共振频率点。另外，共振幅值也是传感器一项重要参数，主要取决于周围环境的粘弹性的阻尼大小[6]。

2检测系统设计

根据上述理论分析，利用永磁铁提供直流偏置激励，设计了一种小型化共振特性检测电路，系统组成示意图如图2所示。根据设计需求，系统主要由MSP430控制单元、偏置磁场产生单元、交流激励信号产生单元、有效值检测单元、A/D采样单元以及供电单元等构成。

图2　检测系统组成示意图Fig 2　Composition of detecting system

2.1MSP430控制核心

系统控制核心为TI公司的MSP430F5529单片机，通过SPI总线完成对硬件功能单元的控制，并通过RS—232串口与上位机进行通信。MSP430F5529是TI推出的最新一代超低功耗单片机，具有高达25MHz的系统时钟，集成USB2.0接口，可以在1.8～3.6V低电压下工作，可以很好地满足系统的低功耗小型化设计需求。

2.2线圈单元

磁弹性传感器的工作是通过共振传感机理进行的，线圈单元作为整个检测系统的核心，主要作用是对传感器施加激励磁场和从传感器接收响应信号。设计中激励线圈和检测线圈相互分离，均采用螺线管线圈的形式。激励线圈Coil_E由直径为0.21mm的漆包线绕在塑料线圈骨架上制成，线圈直径约为13mm，长度为37mm，匝数约为300匝，当线圈中通过20mA的电流时，线圈内中心点磁场强度可达到2Oe。检测线圈由线径0.16mm的漆包线在塑料管上绕制，线圈直径为6mm，长度为20mm，匝数为100匝。通过仿真计算可得两线圈的互感系数约为11.5μH。

检测过程中交流激励需进行频率扫描，因而交流激励产生单元需产生频率和幅值均可程控的电压信号。设计中选用ADI公司的DDS芯片AD9850产生频率程控可调的交流电压信号，同时在输出端添加一个截止频率为1MHz的低通滤波器来滤除DDS芯片输出信号中包含的大量的高频杂散噪声。然后，利用由TI公司的DAC7811与低偏置电压运放OPA277构成程控增益电路调节交流电压信号幅值，与后级的固定增益放大电路结合可实现最大增益可调范围为±40dB，单位增益带宽高达300kHz。

激励线圈上施加交流电压信号便可产生用于激励磁弹性传感器的交流磁场，过程中需对电压信号进行功率放大以驱动激励线圈。设计中选用TI公司的250mA高速开环增益缓冲器BUF634构成输出缓冲级以实现功率放大要求。整体电路示意图如图3所示，AD9850和DAC7811通过SPI总线与单片机进行通信。

图3　交流电压激励电路示意图Fig 3　Diagram of AC voltage excitation circuit

2.4偏置磁场产生单元

为了提高磁弹性传感器的磁—机械转换效率，检测系统需要偏置磁场来消除“倍频”效应的影响，提高传感器的响应信号幅度，增加信噪比[7]。集成化设计的磁弹性传感器检测装置多采用在线圈上施加一定直流电流的形式来提供直流偏置磁场，这种方式产生的磁场虽然分布较为均匀，但是增大了系统复杂程度，并且较大的直流电流会产生热量，影响器件性能，同时也会大大增加系统的功耗。本设计采用圆型铷铁硼永磁片来提供偏置磁场激励，如图2中所示，磁片对称放置于激励线圈两端以保证磁场近似均匀，同时可以通过调节磁片之间距离来控制偏置磁场大小。

2.5信号检测单元

检测线圈上的感生电动势即可反映磁弹性传感器的共振特性变化，通过扫频测量可以获得每一激励信号频率点对应的响应信号。感生电动势信号是与激励信号同频的正弦信号，设计中选用真有效值电路对该信号进行幅值提取，整体电路如图4所示。电路中采用凌特公司的精确宽带宽有效值芯片LTC1968实现RMS至DC的转换，该芯片具有高达15MHz带宽，在输入信号频率小于500kHz时输出误差小于1 %。感应电动势的有效值电平通过TI公司16位低功耗A/D转换芯片ADS8326完成数据采集，并通过SPI数据总线将数据传送至微控制器。

图4　信号检测电路示意图Fig 4　Diagram of signal detection circuit

3上位机与MSP430固件编程

上位机是在VS2010平台上采用MFC编写的图形化操作界面，主要功能有检测参数设置、数据接收与转换、结果显示与保存等，其中，参数设置包括扫描频率范围、步进频率与步进时间、扫描次数、程控放大倍数等，可有效提高系统检测效率和易用性。MSP430单片机固件程序采用C语言编写，开发环境为CCS6.0.0，主要负责接收检测参数、设置AD9850与DAC7811、读取ADS8326检测数据等。整体程序设计流程如图5所示。

图5　上位机和MSP430软件流程图Fig 5　Flow chart of upper computer and MSP430 software

4实验与结果分析

4.1磁弹性传感器在不同介质中的测试

利用非晶合金带材1K101制作尺寸为20mm×3mm×28μm的传感器进行测试。将传感器放入直径5mm的小试管中，再把小试管放入检测线圈中，通过上位机设置测量参数并完成传感器在空气中的共振特性测试。然后将传感器放入装有相同体积的蒸馏水和体积比40 %的甘油溶液的试管中，以同样的激励参数重复以上测试，最后的测试结果如图6所示。可见检测系统可以很好地检测磁弹性传感器在不同介质中的共振响应，同时可以看出传感器在具有不同粘度的介质中具有差异十分明显的共振特性，随着阻尼力的增加，其共振频率和共振幅值有所减小，符合理论预期。

图6　同一传感器在不同介质中的响应曲线Fig 6　Response curve of the same sensor in different media

4.2不同长度磁弹性传感器的测试

利用1K101带材制备宽度和厚度均为3mm和28μm，长度分别为9,11,13,15,17,19mm的磁弹性传感器，分别放入设计的检测系统中进行参数测量，测试过程中激励参数设置相同，可得不同长度的传感器的共振频率分布如图7所示。测试结果显示:传感器的共振频率与其长度呈线性反比例关系，二者线性相关系数为0.987 1，证实了方程(2)所得结论的可靠性。

图7　传感器长度与共振频率关系曲线Fig 7　Curve of relationship between sensor length andresonance frequency

5结束语

本文利用MSP430单片机完成了小型化磁弹性传感器检测装置设计，利用铷铁硼永磁片提供直流偏置磁场，将交流电压信号施加在激励线圈上，通过提取检测线圈的感应电动势变化，可得到磁弹性传感器的共振频率和共振幅值。由测试结果可知，检测系统性能良好，不仅能够快速精确地完成磁弹性传感器的共振特性检测，还具有小型化、低功耗、操作方便的特点，可以满足传感器在不同环境和状态下应用的检测需求。

参考文献:

[1]Ong K G,Yang Xiping,Zeng Kefeng,et al.Magnetoelastic sensors for biomedical monitoring[J].Sensor Letters,2005,3(2):108-116.

[2]Xie Hong,Chai Yating,Horikawa S,et al.A pulsed wave excitation system to characterize micron-scale magnetoelastic biosensor-

s[J].Sensors and Actuators A:Physical,2014,205:143-149.

[3]Grimes C A,Roy S C,Rani S,et al.Theory,instrumentation and applications of magnetoelastic resonance sensors:A review[J].Sensors,2011,11(12):2809-2844.

[4]程鹏,高爽,张文栋,等.基于阻抗响应的磁弹性传感器共振频率测量系统[J].光学精密工程,2014,22(11):3012-3018.

[5]Mungle C S,Roy S C,Grimes C A. The equation of motion,impedance,and equivalent circuit model for a magnetoelastic reso-nance sensor[J].Sensor Letters,2008,6(3):421-427.

[6]Grimes C A,Zeng Kefang.Wireless magnetoelastic physical,che-mical,and biological sensors[J].IEEE Transactions on Magnetics,2007,43(6):2358-2363.

[7]周进波,谢志鹏,杨唐胜.ΔE效应对磁弹性传感器的影响与分析 [J].传感器与微系统,2012,31(10):54-56.

Design of detection system for magnetoelastic sensor based on MSP430*

SONG Ling-ju, ZHENG Xiao-lin, LIAO Yan-jian, TANG Yong

(College of Bioengineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

Abstract:Magnetoelastic(ME)sensor has great application prospects in non-destructive detection,in situ and in vivo analysis due to its wireless and passive features.A miniaturized detection system for ME sensor based on MSP430 platform is designed through analysis on detection principle of ME sensor.The system uses MSP430 as control core and uses permanent magnets as bias magnetic field,it consists of AC excitation unit,RMS detection unit,AD sampling unit and communicate with the upper PC through RS—232.Experimental results indicate that the characteristics of ME sensor can be detected by the system conveniently and rapidly,which characterized by good stability,high integration,low power consumption.The system also can meet the accurate detection requirements of ME sensor in different states and environments.

Key words:magnetoelastic sensor; resonance frequency; MSP430; miniaturization

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0133—03

收稿日期：2015—05—04

*基金项目：重庆市科委自然科学基金重点资助项目(CSTC2013JJB10011)；中央高校基本科研业务费科研专项 (CDJZR12165501)

中图分类号：TP 212.3

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)02—0133—03

作者简介:

宋岭举(1989-)，男，河南宝丰人，硕士研究生，主要研究方向为便携式医疗仪器设计。