CN113109877A - 一种数字式金属检测机频率发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种数字式金属检测机频率发生器，包括ARM上位机、FPGA数字处理电路、波形发生器电路、发射谐振电路和接收谐振电路；所述ARM上位机与FPGA数字处理电路相连接，所述FPGA数字处理电路与波形发生器电路相连接，所述波形发生器电路与发射谐振电路相连接，所述发射谐振电路与接收谐振电路相连接。本发明基于金属检测机的DDS频率合成技术，在相对带宽、频率转换速度、相位连续性、分辨率以及稳定性等一系列指标都远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。
Description
技术领域
本发明涉及金属检测机的技术领域，具体地，涉及一种数字式金属检测机频率发生器。
背景技术
众所周知，金属检测机通过产生一定频率的载波用于检测各种金属异物的存在，对于不同的待检测物，所包含的物料响应信号各不一样，所以在实际的生成检测过程中，需要灵活地调节金属检测机的检测频率，以适用于各种复杂的环境。所以在金属检测机的工作过程中，检测频率能否灵活调节，调节结束后是否稳定可靠，是衡量金属检测机性能是否优越的关键一环。传统金属检测机的频率产生方式都是通过固定晶振加模拟芯片的方法，这种方法产生的检测频率和相位一般都是固定无法更改的，所以往往无法适应各种复杂的检测环境，而通过更换晶振来改变发射频率，又显得费时费力，不具备操作的灵活性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种数字式金属检测机频率发生器。
根据本发明提供的一种数字式金属检测机频率发生器，包括ARM上位机、FPGA数字处理电路、波形发生器电路、发射谐振电路和接收谐振电路；
所述ARM上位机与FPGA数字处理电路相连接，所述FPGA数字处理电路与波形发生器电路相连接，所述波形发生器电路与发射谐振电路相连接，所述发射谐振电路与接收谐振电路相连接。
优选地，所述ARM上位机是人机交互的前端，ARM上位机设置金属检测机的检测频率w和频率相位φ，并将检测频率w和频率相位φ传送至FPGA数字处理电路。
优选地，所述FPGA数字处理电路包括相位累加器、相位调整器和波形存储器；
所述相位累加器与相位调整器相连接并计算，将计算结果传送至波形存储器。
优选地，所述相位累加器由检测频率w控制，所述相位调整器由频率相位φ控制。
优选地，所述波形发生器电路包括DA转换器和低通滤波器；
所述DA转化器接收波形存储器的输出结果，所述低通滤波器接收DA转换器的高频谐波。
优选地，所述低通滤波器的输出结果经功率放大转化。
优选地，所述低通滤波器的输出结果输出至金属检测机的发射线圈，所述发射线圈并联有电容并进行谐振匹配。
优选地，所述接收谐振电路接收发射线圈的电磁场变化，所述接收谐振电路感应同频不同相的差分小信号。
优选地，所述差分小信号经过放大后传送给金属检测机的主控板进行算法处理。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明基于金属检测机的DDS频率合成技术，在相对带宽、频率转换速度、相位连续性、分辨率以及稳定性等一系列指标都远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。
2、本发明的解决方案采用了ARM+FPGA双核心的解决方案，在完成系统复杂度和实现系统快速响应，ARM和FPGA有着不同侧重的分工，充分发挥了ARM与FPGA的特长，也为以后系统的升级和拓展打下了坚实的基础。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的整体电路原理图；
图2为本发明的FPGA数字处理电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1和图2，本发明提供一种数字式金属检测机频率发生器，包括ARM上位机、FPGA数字处理电路、波形发生器电路、发射谐振电路和接收谐振电路；ARM上位机与FPGA数字处理电路相连接，FPGA数字处理电路与波形发生器电路相连接，波形发生器电路与发射谐振电路相连接，发射谐振电路与接收谐振电路相连接。金属检测机进行自动设定后，会根据实际的物料检测效应来进行算法处理，自动计算出合适的检测频率w和相位φ。
w和φ这两个参数生成后发送给FPGA数字处理电路，通过FPGA内部构成的一组相位累加器、相位调整器和波形存储器，生成高速DA转化器所需的并行输入数据。
高速DA转换器生成的模拟信号经过七阶椭圆低通滤波器，平滑输出后的正弦波形sin。
sin信号通过一组功率放大电路，增大自身的幅值，但此时的频率和相位保持不变。
放大后的sin信号经过发射线圈，通过继电器切换不同的匹配电容和线圈匝数，来达到谐振的效果。
和发射谐振匹配电路类似，接收谐振电路同样通过继电器切换不同的匹配电容和线圈匝数来进行谐振匹配。
接收谐振电路通过接收发射线圈的电磁场变化，感应出同频不同相的差分交流小信号，此差分小信号经过一定放大倍数后传送给金属检测机的主控板进行算法处理。1.
ARM上位机是人机交互的前端，在实际的检测生产中，可以通过它设置金属检测机的检测频率w和频率相位φ，最终检测频率w和相位φ传到了FPGA数字处理电路。
FPGA数字处理电路进行逻辑门的组合设计，构成一组相位累加器、相位调整器和波形存储器。相位累加器由频率w控制，相位调整器由相位φ控制，两者计算出来的结果记为add。另外把正弦波模拟信号离散2048等份后生成的数据固化进入FPGA中，构成波形存储器，相位累加结果的add就是波形存储器的地址，最后波形存储器输出的结果记为d。
波形发生电路包含DA转化器与低通滤波器，D/A转换器电路集成了12bit/100MSPS高速DA芯片，低通滤波器设计了一个七阶椭圆低通滤波器，用于吸收DA芯片输出后的高频谐波，平滑输出波形，使输出信号sin更接近于正弦模拟信号。
正弦模拟信号经过功率放大转化后输出到金属检测机的发射线圈，发射线圈通过并联电容进行谐振匹配，使之达到最大的发射功率。
接收谐振电路通过接收发射线圈的电磁场变化，感应出同频不同相的差分小信号，此差分小信号经过1000-10000倍的放大后传送给金属检测机的主控板进行算法处理。
本发明基于金属检测机的DDS频率合成技术，在相对带宽、频率转换速度、相位连续性、分辨率以及稳定性等一系列指标都远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。
本发明的解决方案采用了ARM+FPGA双核心的解决方案，在完成系统复杂度和实现系统快速响应，ARM和FPGA有着不同侧重的分工，充分发挥了ARM与FPGA的特长，也为以后系统的升级和拓展打下了坚实的基础。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种数字式金属检测机频率发生器，其特征在于，包括ARM上位机、FPGA数字处理电路、波形发生器电路、发射谐振电路和接收谐振电路；
所述ARM上位机与FPGA数字处理电路相连接，所述FPGA数字处理电路与波形发生器电路相连接，所述波形发生器电路与发射谐振电路相连接，所述发射谐振电路与接收谐振电路相连接。
2.根据权利要求1所述的一种数字式金属检测机频率发生器，其特征在于，所述ARM上位机是人机交互的前端，ARM上位机设置金属检测机的检测频率w和频率相位φ，并将检测频率w和频率相位φ传送至FPGA数字处理电路。
3.根据权利要求1所述的一种数字式金属检测机频率发生器，其特征在于，所述FPGA数字处理电路包括相位累加器、相位调整器和波形存储器；
所述相位累加器与相位调整器相连接并计算，将计算结果传送至波形存储器。
4.根据权利要求3所述的一种数字式金属检测机频率发生器，其特征在于，所述相位累加器由检测频率w控制，所述相位调整器由频率相位φ控制。
5.根据权利要求1所述的一种数字式金属检测机频率发生器，其特征在于，所述波形发生器电路包括DA转换器和低通滤波器；
所述DA转化器接收波形存储器的输出结果，所述低通滤波器接收DA转换器的高频谐波。
6.根据权利要求5所述的一种数字式金属检测机频率发生器，其特征在于，所述低通滤波器的输出结果经功率放大转化。
7.根据权利要求6所述的一种数字式金属检测机频率发生器，其特征在于，所述低通滤波器的输出结果输出至金属检测机的发射线圈，所述发射线圈并联有电容并进行谐振匹配。
8.根据权利要求1所述的一种数字式金属检测机频率发生器，其特征在于，所述接收谐振电路接收发射线圈的电磁场变化，所述接收谐振电路感应同频不同相的差分小信号。
9.根据权利要求8所述的一种数字式金属检测机频率发生器，其特征在于，所述差分小信号经过放大后传送给金属检测机的主控板进行算法处理。
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