LDC1000电感数字传感器的转速测量设计

李峰，祝忠明，阳光,王超宇,薛强

(成都理工大学 信息科学与技术学院，成都 610059)

LDC1000电感数字传感器的转速测量设计

李峰，祝忠明，阳光,王超宇,薛强

(成都理工大学 信息科学与技术学院，成都 610059)

不同于传统检测转速的方法，本测量方法在金属齿轮转速的检测方法中提出了新的设计思路，以LDC1000电感数字传感器为核心，以低功耗、低成本的MSP430F149为主控芯片，加上自制电感线圈来完成转速测量。射频收发芯片nRF24L01作为转速信息数据传输装置，发展前景良好。本文分析了转速测量的理论依据，给出电路原理图及其程序流程，实现对金属齿轮的转速测量、数据的传输共享。

MSP430F149;LDC1000;nRF24L01;转速测量

引 言

传统的检测转速方法可分为接触式和非接触式两种：接触式要求被测旋转装置与传感器直接相连接，安装要求较高；而一般的非接触式则大多利用光电编码，但不同的场合需要不同类型的编码器。在特殊工业要求下，检测装置不能接触到被测量物体，或使用传统的转速检测方法难以达到预期的效果。

被测物体的运动速度范围不同，再考虑环境温度，选择时不仅要考虑传感器和测速仪满足测量范围,而且还要满足环境温度。TI公司的LDC1000系列在灰尘、油和潮湿等恶劣的条件环境中能稳定工作并且有较高分辨率，对线性位置、位移、金属成份实现高精度的测量，这样就使得转速测量问题有了新的解决方案和途径。

1 系统的设计方案

系统设计主要分为三部分。

第一部分是16位超低功耗的混合信号处理器MSP430F149单片机与各个模块之间的通信构建和数据处理的实现。拥有强大的处理能力和方便高效的开发环境，和官方推荐与传感器匹配使用的主控芯片同属MSP430系列，完全满足设计需求。利用单片机的SPI接口与LDC1000进行读写命令和数据的读取操作。

图1 系统设计方案

第二部分是LDC1000电感数字电路设计和自制线圈电路，本设计采用铜丝进行绕制，与电容构成并联谐振电路。自制的线圈上通入交流电流就会产生交流磁场。金属齿轮作为一个金属靶，当位于线圈附近时，线圈产生的交变磁场引起自制线圈表面循环电流，也就是涡流电流。涡流电流的大小是关于到线圈距离和线圈直径的函数,涡流然后产生一个与线圈相反的磁场。利用涡流效应，自制线圈谐振时会产生磁场，当转动的金属齿轮进入磁场之后，会产生反向的不同的涡流电流，以此为依据来确定金属齿轮齿顶点、齿低点和空间相对所在位置。

第三部分是同样采用另一组SPI接口与nRF24L01之间进行转速信息的传输。系统设计方案如图1所示。

2 系统硬件设计

金属齿轮转速检测是利用电感感测技术，精确地检测金属齿轮在自制线圈中所产生磁场中的空间位置，设计的任务在于传感器电路搭建与LC谐振之间的匹配，需要考虑线圈的直径、绕制的材料、绕制的方式等，且在同一种绕制方式下，一定范围内线圈的直径与检测范围成正比。

LDC1000的数据输出SDO、数据输入SDI与单片机的SPIA_MOSI、SPIA_MISO相连接。时钟信号端SPIA_SCLK提供LDC1000工作时钟。CSB是使能端口，由MSP430F149的P1.6引脚提供。INTB端口的中断输入与P1.7端口连接，作为频率计数的时钟信号[5]，具体连接如图2所示。

图2 MSP430F149与LDC1000连接图

在图2中，采用+5V的USB供电，一方面，使用AMS1117-3.3芯片将5 V电压转换3.3 V电压，为单片机供电。AMS1117是具有降稳压器功能的低压转换芯片，拥有1% 的有效精度，为主控芯片提供+3.3 V正常工作的电压。另一方面，+5 V直接向LDC1000提供工作电压。LDO需要56 nF的电容从CLDC引脚连接到地。LDC1000的电路原理如图3所示。

图3 LDC1000电路原理图

图3中，J1端口接自制线圈，与电容C3构成LC电路，LDC1000为LC谐振提供谐振所需的能量，通过LC时检测阻抗和LC谐振的谐振频率，实时地检测由LC谐振耗散的能量。通过测量的谐振功率可以确定等效电阻Rp值。图4是LC并联谐振Rp等效电路。

图4 LC并联谐振Rp 等效电路图

LDC1000能运行的关键在于CFA与CFB端口滤波电容的选取，一般是陶瓷电容,范围为20 pF～100 nF，电容的值取决于感测线圈的时间常数，对于自制线圈来说100 pF的值一般满足滤波要求。为了尽量减少寄生效应，CFA和CFB引脚到陶瓷电容两端的距离应尽可能短。

LDC1000的时钟可由外部时钟或晶振提供，外部时钟通过微控制器ACLK与TBCLK端口相连，若是用晶振提供则在XOUIT和TBCLK加上晶振即可，本设计由MSP430提供，故XOUT悬空。

自制的线圈，使用直径为2 mm绕制29圈，测试电感值约为100 μH。当金属齿轮在线圈产生的交变程磁场出现时，齿顶点离线圈较近，经过内部的等效电路，可以得到等效电阻Rp的损耗，就可以间接地算出金属齿轮的齿顶点和齿低点到分别线圈的距离，根据两个齿顶点之间的时间和齿轮数就可计算出转速。计算转速的公式为：

n=60×t/((N-1)×M)

其中t为选取经过N次齿顶点的时间，单位为秒(s)；M是金属齿轮的齿数；n为转速，单位为转每分(r/min)。

MSP430F149有两个独立工作的SPI接口，互相之间不影响，nRF24L01是工作在2.4 GHz全球公开频段的无线收发芯片，可靠性高，信息传输安全，电路简单，技术成熟，广泛地应用在各种工业、民用通信设备中。价格低廉，易于控制成本价。使用3.3 V的TTL电平就可使其工作，发射模式电流仅需要9 mA。图5为nRF24L01的电路原理图。

图5 nRF24L01的电路原理图

3 系统软件设计

系统程序主要分为转速信息获取和转速信息发送两个部分。系统程序主流程如图6所示。

图6 程序流程图

配置好SPI之后，在SDO端口读取两个8位寄存器0x21和0x22(两个寄存器组16位数据)转换为十进制数CODE，范围在0～32 767(216-1)之间。

LDC1000测量不同的实际应用可能有不同的谐振阻抗Rp。阻抗Rp范围通过两个控制寄存器Rp_Min和Rp_Max设置。对于本设计检测金属空间位置的要求，Rp范围设置不能太小，若超出寄存器设置所的范围，收到的CODE将会被钳住。但是为了保证最佳的分辨率，提高精度，对Rp_Min和Rp_Max值设置范围不宜过大。

Rp_Min和Rp_Max最佳值可由以下两步确定：将齿轮齿顶点放在自制线圈中心的位置处，此时涡流与Rp为最大，因使用16位的单片机，所以在保证CODE值余量情况下，逐渐增大Rp_Min的值， CODE在25 000附近时选择当前的Rp_Min；也是将齿低点放在自制线圈中心的位置处,此Rp和涡流最小，逐渐减小Rp_Max的值使得CODE值在3 000左右时选择Rp_Max的值。

芯片片选段(CSB)开始一个访问时，命令字中的R/w位配置读取。置0表示写操作，置为1表示读取操作。输出数据SDO在SCLK的下降沿生效，输入数据SDI采样在串行时钟SCLK的上升沿触发。数据写入在SCLK第16个时钟上升沿的时候触发，如果CSB引脚无效时数据不能写入。

CODE值经单片机处理转换成转速之后，由nRF24L01发送，在本设计中需要把转速信息发送出去，故配置成发送端。

nRF24L01配置为发射模式，用于数据的传输，片选端(CSN)把发送节点地址和有效数据位通过SPI接口写入到发送缓存区，要求必须在CSN连续低时写入，一次成功写入即可；为了确保发射成功，置位 (CE) 端口至少保持10 μs高电平的持续时间，需要注意的是应答接收地址与接收节点地址要求相同，否则通信不能成功。

4 验证分析

通过对系统的各个部分的分析和构建，实物如图7所示。

图7 实物图

等待检测一段时间之后将读到的CODE值在Matlab2010b上打印出随时间的变化曲线，如图8所示。

图8 CODE随时间的变化曲线

由上面可以得出，处于波峰的CODE值较大，即涡流电流大，表示当前检测到是齿顶点部分，在波谷则反之。可以得出当前金属齿轮的转速，且nRF24L01支持一发多收，增强了数据的共享能力，满足设计要求。

结 语

[1] 王剑锋.基于 LDC1000 电感到数字转换器的金属探测器[J].电子设计工程，2015,23(18):167-169.

[2] 冯洋. 基于MSP430单片机的车辆状态监控系统设计[J].计算机与数字工程，2016,44(5):956-960.

[3] 张泽华,王晓蕾,张雷雷.基于LDC1000电感数字传感器的墙体电线位置测量仪设计[J].电子设计工程,2015,23(21):79-81.

[4] 杨旭，李德敏，张谦益.基于 nRF24L01 的一种无线通信协议设计[J].通讯技术，2011,7(44),57-59.

[5] 曾宪阳,杨红莉,郑子超.金属丝循迹检测智能小车设计[J].微型机与应用,2016,35(24): 101-104.

[6] 宋成，陈璐寒，张鹏.基于LDC1000的循迹小车设计[J].通讯世界，2016(11):255.

[7] 张桂红.基于LDC1000的电感传感器单片机寻迹小车[J].通讯世界，2016(11):236-237.

[8] 王振，胡清，黄杰.基于nRF24L01的无线温度采集系统设计[J].电子设计工程.2009,17(12)，24-26.

[9] 杨维祎, 郭颖, 王雪峰, 等.基于TI杯电子竞赛的金属探测系统设计[J],国外电子测量，2015，34(2)：54-57.

李峰(硕士研究生) ,主要研究方向传感器应用、嵌入式系统等。

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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2017-04-06)