LDC1000的金属物体探测定位器Word格式.docx
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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，它的成本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成本下，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、低成本的输出仅为“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技术的优势体现：
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，这样就避免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.更低的成本：
采用低成本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不足8.5mw，在待机模式下功率不足
1.25mw；
2.4LDC的原理和内部结构
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成本，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，将会在金属的表面产生涡流。
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，对这一变化进行判断便可基本确定硬币的位置。
理论上其感应信号最大的地方为它的中心，程序可以根据一个精确的定位，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内部结构图
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，则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体现了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
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
NA
P7.0
红色LED
P1.1
绿色LED
表格1数据管脚定义表界面
按照上述进行硬件连接，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进行配置，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）进行通讯的时候，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写入访问寄存器地址，其中最高位0表示写入，1表示读
出，其余7位为寄存器的地址；
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寄存器的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寄存器中；
6.
片选信号置高，释放对该从机的控制。
图8LDC1000SPI读写时序
2.7LDC1000内部寄存器的设置
（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，就需要我们进行合理的设置RpMIN和RpMAX寄存器的数值，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合适的RpMIN和RpMAX值填入寄存器中；
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
Rp（RpMAXRpMIN）/（RpMIN（1Y）RpMAXY）
YProximityData/215
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，此时的涡流达到了最大，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金属探测器的组成部分和功能
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，输入电压控制在5~9v的范围内。
1.电机驱动芯片供电电子探测器上装有两个永磁式步进电机，系统中直接把电池的输出电压连接到电机驱动芯片上。
2.系统供电
LM3s615微控制器需要3.3v电压，由CON2接头输入外接电源，二极管D1是为了防止电源正负接反设置的，经过c36，c2的滤波作用，然后通过SPX1117M-3.3将电压稳定至3.3v。
SPX1117M3-3.3是Exar公司生产的LDO芯片，特点是输出电流大，输出电压精度高，稳定性高，输出电压的范围为4.7v~12v，输出电流可达800mA。
输出端的c3，c4用来改善瞬间状态的回应和稳定性，POW是电源指示灯，当系统接通电源后灯被点亮。
R9和R15构成一个分压电路，ADC0连接到LM3S615上，可以检测电池的电压。
图113.3v电源电路
3.1.3传感器供电
电子探测器使用的是红外线传感器，它的工作电压为5v，可以把电池的输出电压经过
LDO稳定到5v，但电池电压低时，系统不能为传感器提供稳定的电源，这将影响到传感器的灵敏度。
综合考虑，我们把系统中稳定的3.3v电压升到5v，升压的芯片选用Exar公司生产的低静态电流、高效率的升压芯片SP6641A。
图125v升压电路
3.1.4JTAG界面电路
电子探测器应用的是10脚的JTAG界面。
与LMLINK兼容。
3.1.5按键电路
在电子探测器上有一个按键，在按键电路中c24的作用是消除按键抖动产生的毛刺干扰信号。
3.1.6红外检测电路红外检测电路适用于迷宫挡板的检测，分为左方，左前方，前方，右前片，右方五个方向，五个方向的传感器电路相同。
图15红外检测电路
U5是一体式红外接收传感器，型号为IRM8601S。
接头内部集成自动增益控制电路、带滤波电路，解码电路和输出驱动电路。
接头对38KHZ的红外线信号最为敏感，当它检测到有效红外信号时输出低电平，否则输出高电平。
RF1为红外发射头，w5为限流可调电阻，用来调节发射红外线的强度。
W1与RF1组成红外线发射电路，控制红外线发射的端口连接到微控制器，在五组的传感器中，RF1，RF3，RF5共同连接到PE0端口;
RF2,RF4连接PB0端口。
U1~U5输出信号连接微控制器PB1~PB5端口
3.1.7电机驱动电路
图16电机驱动电路
图中四个输入控制端口IN11，IN12、IN21、IN22分别连接LM3S615的PD0、PD1、PD2、PD3四个端口。
BA6845FS是步进电机驱动芯片，每个芯片有两个H桥，IN11和IN12控制OUT11和OUT12输出；
IN21和IN22控制OUT21和OUT22输出。
最大驱动电流为1A,在输入逻辑的控制下输出有三种模式：
正向、反向和停止。
IN11/21
IN12/22
OUT11/21
OUT12/22
模式
L
H
正向
反向
开路
停止
表格2BA6845FS真值表
图17
3.2电子探测器和LDC1000连接构成
3.2.1LDC1000与电子探测器的硬件连接在电子探测器底部，放有三个LDC1000传感器，放置如下图：
图18LDC1000硬件放置简图
L1，L2,L0分别为三个LDC1000传感器，L2和L1线圈中点距离为离为40mm，点o与金属探针的距离为18mm。
40mm，L0与点o的距
图19三个LDC1000传感器
图20系统工作框图
如系统工作框图所示，首先我们要给三个传感器设定基准值，确定基准值，按键电子探测器开始移动，一步步检测金属，通过LDC1000对金属产生的涡流电流，形成反馈信号，传达给MSP430，通过MSP430控制两个步进电机，如此循环，直到找到金属在进行x轴行进，根据电感量的变化，找到金属的x轴的中心，右转在进行y轴的步进，重复x轴的步骤，找到金属的中心，金属探测停止，探针指向金属（硬币）的中心时，蜂鸣器发出声响。
图21金属探测器工作流程图
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