侯志偉, 杜青青, 包理群

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730060；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

在印刷、造紙行業(yè)實際工業(yè)生產(chǎn)活動中，重復(fù)統(tǒng)計批量紙張的數(shù)量顯得尤為重要[1-2]，目前紙張數(shù)量統(tǒng)計的主要方法有人工或機械計數(shù)、測厚度或測重量[3]、機器視覺識別[4-5]等，但傳統(tǒng)方法誤差較大、效率較低，機器視覺識別要求具有較高的紙張邊緣質(zhì)量。德州儀器電容式傳感器FDC2214將極板電容的變化轉(zhuǎn)換為諧振頻率的變化[6]，處理器讀取I2C接口數(shù)據(jù)獲得測量值，還有采用NE555芯片、集成運放方波振蕩器將不同待測紙張數(shù)的電容變化轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化，通過測頻的方法實現(xiàn)紙張數(shù)量的統(tǒng)計。上述方法實際上將紙張數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為電容容量的變化，采用信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電壓或頻率的變化[7-11]，通過測量電壓或頻率的辦法實現(xiàn)紙張數(shù)的計數(shù)。

該文針對現(xiàn)有解決方案，采用兩平行極板間距微位移的方法來測量紙張數(shù)的實際問題，提出了一種基于變極距型電容式傳感器的測量系統(tǒng)。將不同數(shù)量的紙張放置于兩塊50 mm×50 mm單面覆銅板之間，以紙張的厚度變化作為兩平行極板的間距變化，從而改變了兩平行極板的電容容量，利用積分電路輸入正弦激勵信號，其輸出信號經(jīng)經(jīng)過調(diào)理電路輸出為電壓信號，采用STM32處理器片內(nèi)ADC采樣量化電壓信號幅度值[12]，實質(zhì)上將不同待測紙張數(shù)的電容變化轉(zhuǎn)換為幅度值的變化，從而計算分析得出待測紙張數(shù)量。

1 紙張數(shù)測量原理

由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為：

(1)

式中：ε為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；S為兩平行極板所覆蓋的面積；d為兩平行極板之間的距離。

當(dāng)傳感器的ε和S為常數(shù)，設(shè)初始極距為d0，若電容器極板間距離由初始值d0減小Δd，電容量增大ΔC，則有：

(2)

當(dāng)Δd?d0時，則有：

(3)

式(4)中可以看出，C與Δd近似呈線性關(guān)系，當(dāng)極板間距減小時，電容值增大，反之電容值減小。

因此，兩個平行極板間放置不同數(shù)量的紙張時，平行極板間距發(fā)生變化，從而改變了電容值的大小。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

該紙張數(shù)測量系統(tǒng)由模擬信號處理部分和數(shù)字信號處理部分組成，其系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，該系統(tǒng)主要由DDS信號發(fā)生器、功率放大電路、電容式極板探頭、基準電壓源電路、積分電路、電容傳感器信號調(diào)理電路組成電容式極板傳感器模擬信號處理部分，由STM32H743XI處理器、USART、SD-Card、JTAG、TFT-LCD、E2PROM、SDRAM、蜂鳴器等組成電容式極板傳感器數(shù)字信號處理部分。DDS信號發(fā)生器輸出正弦波作為激勵輸入信號經(jīng)功率放大電路加至積分電路反相輸入端，電容式極板作為積分電路反饋環(huán)節(jié)的電容，將積分電路輸出信號經(jīng)過調(diào)理電路連接至STM32處理器具有ADC復(fù)用功能的GPIO接口，采用定時器事件觸發(fā)ADC采樣轉(zhuǎn)換，通過DMA將數(shù)據(jù)存儲至外設(shè)SDRAM。其中E2PROM用于存放紙張數(shù)標定幅度值，蜂鳴器提示標定數(shù)據(jù)存放成功，TFT-LCD用于人機交互界面，SD-Card卡用于存儲ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以供上位機數(shù)據(jù)分析，USART用于調(diào)試程序輸出運行過程信息，JTAG用于下載和追蹤調(diào)試程序。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該文紙張數(shù)測量系統(tǒng)模擬信號處理部分將電容式極板探頭變化的信號轉(zhuǎn)換為電壓幅度的變化量。采用DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號，利用集成運算放大器輸出電壓幅度和直流分量可調(diào)節(jié)的激勵信號，經(jīng)乙類推挽功率放大器加至積分電路的反相輸入端，電容式極板探頭作為積分電容，輸出頻率不變、幅度下降、相位超前90度的正弦波信號，其中積分電容決定了輸出幅度下降的程度，積分電路輸出信號采用集成運算放大器調(diào)理電路放大輸出后，送至STM32H743XI處理器片內(nèi)ADC采樣量化分析。

3.1 基準參考電壓電路

基準參考電壓電路如圖2所示，將12 V電源電壓采用LM236AZ穩(wěn)壓二極管輸出穩(wěn)定的5 V基準電壓，調(diào)節(jié)電位器得到低參考電壓或運算放大器電路所需的參考電壓。

圖2 基準參考電壓電路

3.2 DDS模塊功率放大電路

該文采用的AD9834是一款75 MHz、低功耗DDS器件，支持產(chǎn)生正弦波和三角波，具有相位調(diào)制和頻率調(diào)制功能，片內(nèi)比較器支持產(chǎn)生方波以用于時鐘發(fā)生，若時鐘速率為75 MHz，可實現(xiàn)0.28 Hz的分辨率，采用三線式串行接口寫入數(shù)據(jù)，串行接口能夠以最高40 MHz的時鐘速率工作，與STM32處理器標準兼容。供電電源電壓為2.3 V至5.5 V，若供電電壓為3 V時，其功耗僅為20 MW，非常適合于低功耗應(yīng)用，并具有控制休眠的引腳，支持從外部控制斷電模式，在產(chǎn)生時鐘輸出時，芯片中不用的部分可以關(guān)斷DAC，以將功耗降至最低。

AD9834正弦波最大輸出幅度為530 mVpp，也會隨著頻率增加幅度減小，為此采用集成運放電路和功率放大電路以提高輸出幅度及功率，AD9834高速低功耗DDS器件模塊功率放大電路如圖3所示。

圖3 DDS模塊功率放大電路

圖3中，AD9834輸出正弦波幅度不可控制，含有直流分量，采用同相放大器調(diào)節(jié)正弦波輸出幅度，差分放大器調(diào)節(jié)正弦波直流分量，最后采用乙類推挽功率放大器輸出可調(diào)節(jié)的正弦波信號。

3.3 電容式傳感器調(diào)理電路

電容式傳感器信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 電容式傳感器信號調(diào)理電路

正弦激勵信號經(jīng)反相積分電路輸出得到：

(4)

設(shè)正弦激勵信號為：

Ui=Umsin(ωt)

(5)

將式(5)代入式(4)，并設(shè)Uo(t0)=0，則有：

(6)

經(jīng)過OP37差分放大電路，輸出電壓為：

(7)

式中：Rp為R20和可調(diào)電位器VR3的總值，可以看出Cx減小，Vadc也隨之減小。

電容式傳感器輸出電壓Vadc的片內(nèi)ADC采樣量程范圍為0～3.3 V，若設(shè)第二項余弦幅度只與第一項直流分量相等，那么Vadc的幅度范圍為0～(1+Rp/10)Vref2V，則有：

(8)

若Vref2=Um，則積分時間常數(shù)為：

(9)

從式(8)中得知(1+Rp/10)Vref2不大于3.3 V，則有：

Vref2<230 mV

(10)

因此，正弦激勵信號的輸出幅度不大于230 mV。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該文紙張數(shù)測量系統(tǒng)數(shù)字信號處理部分是將電容式極板探頭隨紙張數(shù)變化的信號，經(jīng)調(diào)理電路輸出連接至具有ADC復(fù)用功能的GPIO接口后，采用定時器事件觸發(fā)片內(nèi)ADC采樣調(diào)理電路輸出信號的幅度，分析處理轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，最終顯示電容式極板探頭間的紙張數(shù)。為確定紙張數(shù)對應(yīng)的模擬處理部分輸出的幅度值，采用紙張數(shù)標定輸出的幅度值。

4.1 系統(tǒng)主控程序設(shè)計

該紙張數(shù)測量系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要包括系統(tǒng)初始化模塊、紙張數(shù)標定模塊、片內(nèi)ADC采樣量化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、TFT-LCD觸摸屏人機交互模塊，系統(tǒng)主控程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主控程序流程圖

STM32H743XI處理器采用HAL固件庫STM32Cube_FW_H7_V1.5.0，使用時需初始化HAL固件庫，系統(tǒng)初始化模塊主要包括系統(tǒng)時鐘、MPU內(nèi)存管理單元、HAL固件庫、GPIO外設(shè)接口、SDRAM存儲器、E2PROM、SysTick、TIM定時器、ADC寄存器、TFT-LCD觸摸屏、SD-Card卡、USART以及DDS模塊等。TFT-LCD人機交互模塊采用GUI圖形界面庫STemWin V5.44，用來選擇紙張數(shù)標定和紙張數(shù)測量功能，SD-Card卡讀寫采用文件系統(tǒng)FatFs R0.14，用來存儲ADC采樣數(shù)據(jù)以供上位機分析。

4.2 紙張數(shù)測量程序設(shè)計

紙張數(shù)測量程序流程圖如圖6所示。

圖6 紙張數(shù)測量程序流程圖

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，設(shè)置定時器周期間隔觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，為避免CPU干預(yù)利用DMA傳輸，系統(tǒng)主控程序輪詢DMA完成傳輸中斷信號，采樣完成后采用FIR低通數(shù)字濾波，根據(jù)紙張數(shù)標定的幅度值分區(qū)間插值計算，得到待測紙張的數(shù)量，TFT-LCD上顯示測量結(jié)果。

5 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

為驗證該文紙張數(shù)測量系統(tǒng)的性能，DDS模塊經(jīng)集成運放和乙類推挽功率放大器輸出頻率8 kHz、幅度200 mV的正弦波激勵信號，將銅箔18 μm、基材1.5 mm的FR4單面覆銅板裁剪為50 mm±1 mm正方形作為電容式傳感器極板，依次放置不同A4紙張數(shù)，標定輸出信號幅度值，紙張數(shù)標定的幅度值如表1所示。

從表1可以得出，隨著紙張數(shù)的遞增，輸出幅度值呈下降趨勢。標定紙張數(shù)大于51時，幅度值變化不明顯。

表1 紙張數(shù)標定的幅度值

利用二分法查找所在的標定區(qū)間，采用插值法計算得到紙張數(shù)，反復(fù)測量不同A4紙張數(shù)100次，紙張數(shù)測量實驗結(jié)果如表2所示。

表2 紙張數(shù)測量實驗結(jié)果

從表2可以得出，紙張數(shù)小于46張時準確率為100%，大于46張時紙張測量的準確率有所下降，紙張數(shù)為50時實驗準確率為96%。經(jīng)反復(fù)多次實驗，分析結(jié)果得出該文紙張數(shù)測量系統(tǒng)的綜合準確率為99.6%。

6 結(jié)束語

該文提出了一種基于電容式傳感器的紙張數(shù)測量系統(tǒng)的解決方案，將紙張數(shù)的厚度轉(zhuǎn)化為電容的變化量，采用FR4銅箔極板探頭作為積分電路的反饋環(huán)節(jié)電容，采用DDS模塊產(chǎn)生正弦激勵信號加至積分電路反相輸入端，輸出相位超前90度、幅度變化的正弦波信號，從而以信號調(diào)理后的輸出幅度值來換算放置的紙張數(shù)量。經(jīng)過多次反復(fù)實驗結(jié)果表明，該紙張數(shù)測量系統(tǒng)A4紙張數(shù)小于50張時的測量綜合準確率為99.6%，能夠有效、準確地測量紙張數(shù)的實際需求，具有較好的市場實用價值。在后續(xù)的研究中，有待進一步深入討論紙張數(shù)較多時測量的問題。