基于TM4 C123G的金属微颗粒探测系统研究与实现

王明全　袁程磊　李治华　王远航

摘要：本文介绍了一种使用TM4c123G微处理器作为主控制器，采用新型平衡线圈为传感器探头，实现检测金属微颗粒异物并报警的系统设计方案。该方案由正弦信号发生电路、差分信号处理电路、处理器电路、系统供电电路四部分构成。经过实物测试，该系统工作稳定、反应灵敏，是一套可靠的金属微颗粒检测报警装置。

关键词：金属检测；平衡线圈；TM4C123G

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.012

引言

金属探测器在现代社会生活中的应用越来越广泛，从最初应用在探雷和探测地下金属开始，发展到现在的安保、食品、制药等方面的检测，其作用越来越凸显。与此同时，功能上的提高和完善也受到广大客户的关注。为了适应工业生产的发展要求，研制稳定、可靠、高精度、便于操作的新型金属检测装置是一项十分重要的课题。针对以上背景与要求，在参考众多学位论文后，着手设计并实现了一台金属微颗粒检测报警样机。该样机基于数字信号处理技术，采用新型“平衡线圈”作为传感器探头，选用TI基于Cortex-M4内核的TM4C123GH6PM微控制器（MCU）作为核心处理器，使得样机检测精度高、处理速度快，且用户界面友好。

1 系统整体方案

系统结构框图如图1所示。首先由MCU控制信号发生芯片AD9833生成正弦信号，再经LM3886进行功率放大后送入发射线圈。接收线圈将接收的差分信号送入由NE5532和OPA2134构成的放大滤波电路后，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，则蜂鸣器发出警告，并在液晶屏上显示金属颗粒尺寸的估计值。

2 新型平衡线圈

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收线圈，当发射与接收线圈之间有金属颗粒通过时，会导致两个接收线圈的感应电动势不平衡，从而在两根引线之间产生电动势。通过对此电动势的有无及大小进行检测，就可以判断金属颗粒是否存在。

发射线圈和接收线圈作为金属探测器中最重要的传感器单元，对加工工艺要求比较严格。在制作接收线圈时，要尽可能地保证线圈左右对称，且与发射线圈平行。理想情况下，当没有金属颗粒通过线圈时，接收线圈输出为0。而实际中，由于加工精度不够或漆包线缠绕形状不完全一致等因素，都会对平衡线圈产生不良影响——即便无金属通过线圈，在接收线圈的输出端，仍会有一电压信号输出，这就需要后续电路的调理。

3 信号发生芯片

AD9833是一个低功耗、频率可编程的正弦波、三角波和方波波形发生器，广泛应用于各种测量、激励和时域响应领域。其输出信号的频率和相位可编程，很容易调整，无需外接器件。频率寄存器为28位，如果基准频率输入为25MHz，信号输出最小精度为0.1Hz。同样，如果基准频率输入为1MHz，则信号输出最小精度为0.004Hz。

4 功率放大电路

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，所以需要设计此功率放大电路，以保证有足够大的电流。

本设计功放电路如图3所示，采用美国NS公司推出的大功率音频放大集成芯片LM3886，该芯片经常用于高保真音响的后级功放，具有优越的驱动能力。本设计中的正弦信号为16.6kHz，适合采用此音频功放。

5 接收信号的硬件调理电路

在接收线圈的输出端，会有一个差分信号，将此信号通过放大、滤波、降压这一系列的硬件调理之后，就可以输入到单片机的AD端口。

放大电路如图4所示，需要选择低噪声运放作为前端放大器，本设计采用NE5532作为前级运放，具有相当好的噪声性能，输入噪声电压小，仅为5nV/Hz，增益带宽积为10MHz，适合对16.6kHz的正弦小信号进行低噪声放大。NE5532采用同向放大，此时的输入阻抗比较大。

放大后需要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。

由于要实现高精度检测，所以放大电路中的放大倍数比较大。由于线圈的加工工艺不够精密，即便没有金属通过线圈时，其输出端仍会输出一微小的电压信号。这个电压信号经过放大电路后也会被大幅度放大，这就导致濾波电路输出端Vout的信号非常大，超过处理器的A/D采集范围。

为解决这一问题，设计如图6所示电路，经过多级二极管和电阻，输出一个只有上半周正弦波的电信号，这样就能被处理器的A/D正确采集，从而做出分析和处理。

6 系统供电电路

本设计中用到多组供电电路，其中处理器和AD9833的供电电压为+5V：LM3886功率放大电路的供电电压为±15V；接收信号的放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系统。

7 程序设计

用Code Composer Studio（CCS）软件设计并调试了以下程序：首先通过SPI通信控制AD9833，使其输出一个稳定的16.6kHz的正弦波。接着用ADC以100kHz的采样频率采集2000个点，每采一个值，进行一次比较，求出2000个数中的最大值。为提高可靠性，上述步骤重复16次，求出其平均值，并设定为判定阈值A。然后利用上述方法，实时采集和更新接收线圈电压采样最大值，同时与阈值进行比较，从而通过差值判断是否有金属颗粒，以及金属颗粒的大小并发出警报。

8 结论

本文利用TM4C123G处理器结合平衡线圈，设计了一套金属微颗粒检测装置，并可以实现报警和在液晶屏上显示金属颗粒大小估计值的功能。这得益于此处理器强大的运算和处理能力。新型平衡线圈的使用是本设计的一个亮点，该结构使待检测物体的尺寸不受线圈的限制，是原来线圈的一个改进。但目前市面上并没有平衡线圈的成品，所以本设计所用线圈是用漆包线手工缠绕制作而成，效果难免不够理想。若由机器制作，则精度还可大幅提升。