基于MSP430的磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計*

宋嶺舉， 鄭小林， 廖彥劍， 唐　詠

(重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶 400044)

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基于MSP430的磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計*

宋嶺舉， 鄭小林， 廖彥劍， 唐詠

(重慶大學(xué) 生物工程學(xué)院，重慶 400044)

摘要:磁彈性傳感器無線無源的優(yōu)點使其在無損檢測、在體分析等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。通過對磁彈性傳感器檢測原理的分析，設(shè)計了一種基于MSP430平臺的小型化磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430單片機為控制核心，利用永磁鐵作為偏置磁場激勵，集成了交流激勵信號產(chǎn)生單元、有效值檢測單元和AD采樣單元，并通過RS—232實現(xiàn)與上位機之間的通信。實驗結(jié)果表明:該檢測系統(tǒng)可以方便快捷地實現(xiàn)對磁彈性傳感器共振特性的檢測，具有穩(wěn)定性好、集成度高、功耗低的特點，能夠滿足磁彈性傳感器在不同狀態(tài)和環(huán)境下共振特性的精確檢測需求。

關(guān)鍵詞：磁彈性傳感器； 共振頻率； MSP430； 小型化

0引言

磁彈性傳感器具有無線無源、低成本、高靈敏度等諸多優(yōu)點，可擴(kuò)展應(yīng)用于生物在體檢測和密閉空間非破壞性檢測等多方面應(yīng)用，獲得了越來越廣泛的關(guān)注，尤其是在生物醫(yī)學(xué)傳感器領(lǐng)域[1]。磁彈性傳感器通常是由無定形非晶薄膜合金構(gòu)成，如,1K101，Metglas 2826 MB等合金帶材。由焦耳效應(yīng)可知，這種材料在交變磁場作用下會在縱向形成周期性伸縮振動，其共振頻率易受周圍環(huán)境的影響，可用于測量溫度或液體黏度；當(dāng)微小質(zhì)量加載到材料表面時，其共振頻率發(fā)生偏移，頻率偏移量近似等比于負(fù)載質(zhì)量變化量[2]。因此，通過在材料表面修飾生化敏感成分，與檢測對象發(fā)生特異性反應(yīng)，可用于生化物質(zhì)和細(xì)菌等的檢測，如葡萄糖、內(nèi)毒素、鼠傷寒沙門氏菌、大腸桿菌等[3]。

傳統(tǒng)的磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)主要是基于大型的實驗室儀器，如，阻抗分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、鎖相放大器等[4]。這些儀器雖然構(gòu)建系統(tǒng)簡單，但是存在儀器昂貴、體積龐大、操作復(fù)雜、難以集成和便攜使用等諸多限制。近年來出現(xiàn)的基于集成電路的磁彈性傳感器共振特性檢測系統(tǒng)彌補了儀器測量的一些不足，但仍存在系統(tǒng)繁雜、功耗過大等缺點，阻礙了磁彈性傳感器在多領(lǐng)域應(yīng)用中潛力的發(fā)揮。

本文設(shè)計了一種基于MSP430單片機平臺的磁彈性傳感器檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用永磁鐵提供直流偏置磁場，極大地降低了系統(tǒng)功耗，實現(xiàn)了一種小型化、操作方便、精確可靠的磁彈性傳感器共振特性檢測方案。

1檢測系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

磁彈性傳感器多是通過共振頻率偏移量反映被測物的信息或狀態(tài)。根據(jù)焦耳效應(yīng)可知，處于自由態(tài)下的磁彈性傳感器在外部磁場的作用下會發(fā)生形變，傳感器的縱向振動模型如圖1所示。

圖1　磁彈性傳感器縱向振動模型Fig 1　Magnetoelastic sensor longitudinal vibration model

在x軸方向施加一交變激勵磁場，則傳感器的縱向振動方程為

(1)

式中u(x,t)為傳感器在x軸方向上的時間位移向量，E為楊氏模量，ρ為密度，σ為材料泊松比。由方程(1)可得傳感器的基頻共振頻率[5]為

(2)

式中L為傳感器長度。由方程(2)可以看出磁彈性傳感器的共振頻率受自身的長度、密度等特性影響。而傳感器表面質(zhì)量變化或周圍粘粘度變化對共振頻率的影響可表示為

近現(xiàn)代閩臺方言合唱音樂作品的發(fā)展，主要分為四個階段。一是19世紀(jì)末至20世紀(jì)20年代，受西方外來文化影響，中國閩南一帶開始創(chuàng)辦“新學(xué)堂”開設(shè)“樂歌”課，為現(xiàn)代閩臺方言合唱音樂作品發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。閩臺是我國較早對外開放的地區(qū)，基督教已經(jīng)獲得了廣泛傳播，在教會的影響下，大量的閩南語白話合唱出現(xiàn)，如歌集《圣詩歌》(1900年傳教士甘為霖以《養(yǎng)心圣詩》為藍(lán)本編印)，1912年出版的《養(yǎng)心神詩》(鼓浪嶼閩南圣教書局)等。

(3)

式中Δf為質(zhì)量和黏粘度變化引起的頻率偏移量，ms為傳感器質(zhì)量，d為傳感器厚度，Δm為質(zhì)量變化量，η為液體粘度，ρl為液體密度。

檢測過程中傳感器放入激勵線圈和檢測線圈中，在激勵線圈上施加一定頻率的交流電壓信號產(chǎn)生交變激勵磁場，又由維拉里效應(yīng)可知，傳感器在振動過程中會產(chǎn)生變化的磁通勢，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，檢測線圈中會根據(jù)磁通變化大小產(chǎn)生相應(yīng)的感生電動勢。通過不斷改變激勵信號的頻率進(jìn)行掃頻檢測，根據(jù)共振頻率處接收信號的幅值最高的特點可以確定傳感器的共振頻率點。另外，共振幅值也是傳感器一項重要參數(shù)，主要取決于周圍環(huán)境的粘彈性的阻尼大小[6]。

2檢測系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述理論分析，利用永磁鐵提供直流偏置激勵，設(shè)計了一種小型化共振特性檢測電路，系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。根據(jù)設(shè)計需求，系統(tǒng)主要由MSP430控制單元、偏置磁場產(chǎn)生單元、交流激勵信號產(chǎn)生單元、有效值檢測單元、A/D采樣單元以及供電單元等構(gòu)成。

圖2　檢測系統(tǒng)組成示意圖Fig 2　Composition of detecting system

2.1MSP430控制核心

系統(tǒng)控制核心為TI公司的MSP430F5529單片機，通過SPI總線完成對硬件功能單元的控制，并通過RS—232串口與上位機進(jìn)行通信。MSP430F5529是TI推出的最新一代超低功耗單片機，具有高達(dá)25MHz的系統(tǒng)時鐘，集成USB2.0接口，可以在1.8～3.6V低電壓下工作，可以很好地滿足系統(tǒng)的低功耗小型化設(shè)計需求。

2.2線圈單元

磁彈性傳感器的工作是通過共振傳感機理進(jìn)行的，線圈單元作為整個檢測系統(tǒng)的核心，主要作用是對傳感器施加激勵磁場和從傳感器接收響應(yīng)信號。設(shè)計中激勵線圈和檢測線圈相互分離，均采用螺線管線圈的形式。激勵線圈Coil_E由直徑為0.21mm的漆包線繞在塑料線圈骨架上制成，線圈直徑約為13mm，長度為37mm，匝數(shù)約為300匝，當(dāng)線圈中通過20mA的電流時，線圈內(nèi)中心點磁場強度可達(dá)到2Oe。檢測線圈由線徑0.16mm的漆包線在塑料管上繞制，線圈直徑為6mm，長度為20mm，匝數(shù)為100匝。通過仿真計算可得兩線圈的互感系數(shù)約為11.5μH。

檢測過程中交流激勵需進(jìn)行頻率掃描，因而交流激勵產(chǎn)生單元需產(chǎn)生頻率和幅值均可程控的電壓信號。設(shè)計中選用ADI公司的DDS芯片AD9850產(chǎn)生頻率程控可調(diào)的交流電壓信號，同時在輸出端添加一個截止頻率為1MHz的低通濾波器來濾除DDS芯片輸出信號中包含的大量的高頻雜散噪聲。然后，利用由TI公司的DAC7811與低偏置電壓運放OPA277構(gòu)成程控增益電路調(diào)節(jié)交流電壓信號幅值，與后級的固定增益放大電路結(jié)合可實現(xiàn)最大增益可調(diào)范圍為±40dB，單位增益帶寬高達(dá)300kHz。

激勵線圈上施加交流電壓信號便可產(chǎn)生用于激勵磁彈性傳感器的交流磁場，過程中需對電壓信號進(jìn)行功率放大以驅(qū)動激勵線圈。設(shè)計中選用TI公司的250mA高速開環(huán)增益緩沖器BUF634構(gòu)成輸出緩沖級以實現(xiàn)功率放大要求。整體電路示意圖如圖3所示，AD9850和DAC7811通過SPI總線與單片機進(jìn)行通信。

圖3　交流電壓激勵電路示意圖Fig 3　Diagram of AC voltage excitation circuit

2.4偏置磁場產(chǎn)生單元

為了提高磁彈性傳感器的磁—機械轉(zhuǎn)換效率，檢測系統(tǒng)需要偏置磁場來消除“倍頻”效應(yīng)的影響，提高傳感器的響應(yīng)信號幅度，增加信噪比[7]。集成化設(shè)計的磁彈性傳感器檢測裝置多采用在線圈上施加一定直流電流的形式來提供直流偏置磁場，這種方式產(chǎn)生的磁場雖然分布較為均勻，但是增大了系統(tǒng)復(fù)雜程度，并且較大的直流電流會產(chǎn)生熱量，影響器件性能，同時也會大大增加系統(tǒng)的功耗。本設(shè)計采用圓型銣鐵硼永磁片來提供偏置磁場激勵，如圖2中所示，磁片對稱放置于激勵線圈兩端以保證磁場近似均勻，同時可以通過調(diào)節(jié)磁片之間距離來控制偏置磁場大小。

2.5信號檢測單元

檢測線圈上的感生電動勢即可反映磁彈性傳感器的共振特性變化，通過掃頻測量可以獲得每一激勵信號頻率點對應(yīng)的響應(yīng)信號。感生電動勢信號是與激勵信號同頻的正弦信號，設(shè)計中選用真有效值電路對該信號進(jìn)行幅值提取，整體電路如圖4所示。電路中采用凌特公司的精確寬帶寬有效值芯片LTC1968實現(xiàn)RMS至DC的轉(zhuǎn)換，該芯片具有高達(dá)15MHz帶寬，在輸入信號頻率小于500kHz時輸出誤差小于1 %。感應(yīng)電動勢的有效值電平通過TI公司16位低功耗A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8326完成數(shù)據(jù)采集，并通過SPI數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送至微控制器。

圖4　信號檢測電路示意圖Fig 4　Diagram of signal detection circuit

3上位機與MSP430固件編程

上位機是在VS2010平臺上采用MFC編寫的圖形化操作界面，主要功能有檢測參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)換、結(jié)果顯示與保存等，其中，參數(shù)設(shè)置包括掃描頻率范圍、步進(jìn)頻率與步進(jìn)時間、掃描次數(shù)、程控放大倍數(shù)等，可有效提高系統(tǒng)檢測效率和易用性。MSP430單片機固件程序采用C語言編寫，開發(fā)環(huán)境為CCS6.0.0，主要負(fù)責(zé)接收檢測參數(shù)、設(shè)置AD9850與DAC7811、讀取ADS8326檢測數(shù)據(jù)等。整體程序設(shè)計流程如圖5所示。

圖5　上位機和MSP430軟件流程圖Fig 5　Flow chart of upper computer and MSP430 software

4實驗與結(jié)果分析

4.1磁彈性傳感器在不同介質(zhì)中的測試

利用非晶合金帶材1K101制作尺寸為20mm×3mm×28μm的傳感器進(jìn)行測試。將傳感器放入直徑5mm的小試管中，再把小試管放入檢測線圈中，通過上位機設(shè)置測量參數(shù)并完成傳感器在空氣中的共振特性測試。然后將傳感器放入裝有相同體積的蒸餾水和體積比40 %的甘油溶液的試管中，以同樣的激勵參數(shù)重復(fù)以上測試，最后的測試結(jié)果如圖6所示。可見檢測系統(tǒng)可以很好地檢測磁彈性傳感器在不同介質(zhì)中的共振響應(yīng)，同時可以看出傳感器在具有不同粘度的介質(zhì)中具有差異十分明顯的共振特性，隨著阻尼力的增加，其共振頻率和共振幅值有所減小，符合理論預(yù)期。

圖6　同一傳感器在不同介質(zhì)中的響應(yīng)曲線Fig 6　Response curve of the same sensor in different media

4.2不同長度磁彈性傳感器的測試

利用1K101帶材制備寬度和厚度均為3mm和28μm，長度分別為9,11,13,15,17,19mm的磁彈性傳感器，分別放入設(shè)計的檢測系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)測量，測試過程中激勵參數(shù)設(shè)置相同，可得不同長度的傳感器的共振頻率分布如圖7所示。測試結(jié)果顯示:傳感器的共振頻率與其長度呈線性反比例關(guān)系，二者線性相關(guān)系數(shù)為0.987 1，證實了方程(2)所得結(jié)論的可靠性。

圖7　傳感器長度與共振頻率關(guān)系曲線Fig 7　Curve of relationship between sensor length andresonance frequency

5結(jié)束語

本文利用MSP430單片機完成了小型化磁彈性傳感器檢測裝置設(shè)計，利用銣鐵硼永磁片提供直流偏置磁場，將交流電壓信號施加在激勵線圈上，通過提取檢測線圈的感應(yīng)電動勢變化，可得到磁彈性傳感器的共振頻率和共振幅值。由測試結(jié)果可知，檢測系統(tǒng)性能良好，不僅能夠快速精確地完成磁彈性傳感器的共振特性檢測，還具有小型化、低功耗、操作方便的特點，可以滿足傳感器在不同環(huán)境和狀態(tài)下應(yīng)用的檢測需求。

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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

*基金項目：重慶市科委自然科學(xué)基金重點資助項目(CSTC2013JJB10011)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費科研專項 (CDJZR12165501)

中圖分類號：TP 212.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)02—0133—03

作者簡介:

宋嶺舉(1989-)，男，河南寶豐人，碩士研究生，主要研究方向為便攜式醫(yī)療儀器設(shè)計。