具有無線、無源、低成本、高靈敏度等特點的磁彈性傳感器已在各個領域得到了廣泛的應用研究，然而現有的檢測裝置通常體積較龐大、功耗高、便攜性差，限制了該類傳感器的應用范圍。對此，本文設計了一套基于STM32的便攜式、低功耗共振型磁彈性傳感器檢測系統。系統以掃頻法為檢測基礎，以STM32為控制核心，永磁鐵作為偏置磁場激勵，集成交流激勵信號單元、信號檢測與采集單元，并利用SD卡存儲測量數據，采用鋰電池供電。實驗結果表明：檢測系統可使磁彈性傳感器在不同介質、不同濃度中完成共振頻率的測量，頻率分辨率可達1 Hz；測量不同尺寸的磁彈性傳感器，所得傳感器共振頻率比為0.933 8，與理論值0.942 3接近；另外，與傳統的阻抗分析儀搭建的組合式檢測系統和現行的集成式檢測系統相比，本系統工作時功耗為0.68 W，休眠時功耗僅為2.20 mW。由此可見，本系統不僅能夠代替原有的阻抗分析儀等組合式檢測系統，而且能夠大大提升現行集成式檢測系統的功耗控制，兼具高集成度、便攜式以及可用于長期監測等優點。
引用本文： 唐詠, 羅洪艷, 陳曦, 鄭小林, 胡寧, 蘇添進, 李川, 廖彥劍. 基于STM32低功耗磁彈性傳感器檢測系統的設計. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(5): 972-978. doi: 10.7507/1001-5515.20160156 復制
0 引言
磁彈性傳感器是采用鐵基非晶合金帶材，如1k101、Metglas2628，作為敏感元件，利用磁致伸縮效應而設計成的一種傳感器[1]。在外加激勵磁場作用下，傳感器由于磁致伸縮效應其長度會隨激勵磁場周期性變化而變化，即周期性振動。當激勵磁場的頻率與傳感器固有振動頻率一致時，傳感器與激勵磁場發生共振，此時振動幅度最大。而該共振頻率或共振幅值會隨周圍環境變化而發生改變，利用該原理可實現質量負載、溫度、黏度等物理量的測量[2]。該傳感器具有無線無源、體積小、成本低、靈敏度高的優點，使其在物理[3]、生化[4]、生物醫學[5]等領域得到了廣泛的關注。特別是在生物傳感器領域，比如在傳感器表面修飾生化敏感成分，利用與被檢測對象的特異性反應可實現對生化物質或細菌等的檢測，如大腸桿菌(Escherichia coli)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、鼠傷寒沙門菌(Salmonella typhimurium)等[6-8]。
目前磁彈性傳感器檢測多是基于共振傳感模型機制，而傳統的磁彈性傳感器檢測系統多是由實驗室大型儀器組合搭建而成，形成組合式的磁彈性傳感器檢測系統，例如赫姆霍茲線圈和鎖相放大器[9]、網絡分析儀和永磁鐵陣列等[10]，雖然這類組合式檢測系統構建簡單、精度高，但是存在儀器價格昂貴、操作復雜、體積龐大和無法便攜使用等諸多缺陷，限制了磁彈性傳感器只能在實驗室內使用。隨著磁彈性傳感器應用研究不斷深入，對磁彈性傳感器檢測系統提出了更高的要求；近年來借助微控制器和集成電路的設計實現集成式磁彈性傳感器檢測系統，比如基于MSP430的磁彈性傳感器檢測系統[11]，彌補了組合式檢測系統的一些不足，但是仍存在功耗過高、便攜性差、無法長時監測等缺點，阻礙了磁彈性傳感器多領域的應用研究。針對上述問題，本文提出一套基于掃頻法的磁彈性傳感共振頻率檢測系統。檢測系統以STM32為控制核心，利用交流磁場和直流偏置磁場實現對傳感器激勵；然后利用信號采集單元和數據傳輸、存儲單元實現傳感器共振特性采集與傳輸；結合鋰電池實現整體系統供電，以達到低成本、低功耗、操作方便、便攜性可靠、能長期監測的低功耗磁彈性傳感器共振頻率檢測系統的設計目的。
1 磁彈性傳感器工作原理
磁彈性傳感器是通過共振頻率的偏移量來反映被測物的性狀；而計算共振頻率偏移量需要檢測磁彈性傳感器的共振頻率變化。根據磁致伸縮效應，磁彈性傳感器在自由狀態下受到外部磁場激勵時會發生橫向和縱向的形變，導致傳感器共振頻率也發生改變，由此便可計算出共振頻率偏移量，得出被測物的信息或狀態。如圖 1所示為傳感器振動模型。
圖1
磁彈性傳感器振動模型
Figure1.
Schematic diagram of magneto-elastic sensor vibration model
如圖 1所示，假定磁彈性傳感器放置在XY平面，沿X軸上施加激勵磁場，由于磁致伸縮效應，傳感器沿X軸、Y軸、Z軸均會發生振動；但X軸振動更為劇烈，影響最大，傳感器X軸振動方程如下：
| $\frac{{{\partial ^2}u\left( {x,t} \right)}}{{\partial {t^2}}} - \frac{E}{{\rho \left( {1 - {\sigma ^2}} \right)}}\frac{{{\partial ^2}u\left( {x,t} \right)}}{{\partial {x^2}}} = 0$ |
式中，E為楊氏模量，ρ是密度，σ為材料泊松比，而u(x, t)則代表X軸方向的時間位移向量；而對于振動模型的傳感器有：
| $u\left( {x,t} \right) = u\left( x \right){e^{i\omega t}}$ |
結合(1)(2)方程可解得傳感器的共振頻率[7]為：
| ${f_n} = \frac{n}{{2L}}\sqrt {\frac{E}{{\rho \left( {1 - {\sigma ^2}} \right)}},} \left( {n = 1,2,3 \cdots \cdots } \right)$ |
式中L為傳感器長度。但應用中多只考慮傳感器共振頻率的基頻部分(即n=1)，故由方程(3)可得：
| ${f_0} = \frac{1}{{2L}}\sqrt {\frac{E}{{\rho \left( {1 - {\sigma ^2}} \right)}}} $ |
由方程(4)可以得出，磁彈性傳感器的共振頻率只與長度和材料的特性相關；但傳感器周圍環境變化同樣會影響傳感器共振頻率，如質量負載等。由此若忽略質量變化對體積的影響，在理想狀態下，磁彈性薄膜片的初始質量為M，增加后的質量為M+Δm；膜片質量變化后的密度為(1+Δm/M)ρ[12]；根據方程(1)可得到磁彈性薄膜片的振動方程：
| $\frac{{{\partial ^2}u\left( {x,t} \right)}}{{\partial {t^2}}} - \frac{E}{{\left( {1 + \frac{{\Delta m}}{M}} \right)\rho \left( {1 - {\sigma ^2}} \right)}}\frac{{{\partial ^2}u\left( {x,t} \right)}}{{\partial {x^2}}} = 0$ |
根據方程(4)(5)可得，磁彈性傳感器增加質量為Δm與共振頻率偏移量Δf可表示為：
| $\Delta m = - 2M \cdot \frac{{\Delta f}}{{{f_0}}}$ |
由公式(6)可知，磁彈性傳感器表面負載變化與其共振頻率的變化存在近似線性關系。因此，通過系統測量傳感器共振頻率變化，即可計算得出被測物對應的質量變化。
2 系統總體設計
為了更好地檢測磁彈性傳感器共振頻率變化量，提高檢測系統的實用性和便攜性；系統采用鋰電池提供電源，永磁鐵提供直流偏置激勵，無線藍牙實現數據傳輸，使檢測系統便攜化和小型化。檢測系統硬件電路結構如圖 2所示。
圖2
檢測系統硬件電路結構圖
Figure2.
Diagram of system hardware circuit
檢測系統采用掃頻檢測法，該方法通過激勵線圈和檢測線圈相互之間的互感變化實現對傳感器的共振頻率檢測。傳感器受到交流掃頻信號激勵時，由于磁致伸縮效應發生振動，在激勵信號頻率達到共振頻率點時，振動幅度達到最大，通過檢測線圈的感生電動勢也達到最大。通過測量檢測線圈中的感生電動勢的幅值信號，可以實現對傳感器共振頻率點的檢測。在交流激勵信號單元和永磁體提供的直流偏置下，由于磁致伸縮效應傳感器發生振動；有效值檢測單元通過測量檢測線圈中的感生電動勢，并將其轉換成為有效值輸出。然后利用AD采樣電路將采集的數據通過SPI總線方式傳輸至微控制器STM32中，最后通過無線藍牙通信將數據傳輸給上位機，并存儲至SD卡內。
2.1 低功耗硬件電路設計
2.1.1 電源管理單元
為實現檢測設備的長期性和便攜性，一般采用電池供電方式，然而使用者并不希望經常更換電池。所以系統的電源管理對于便攜式設備設計而言極其重要。本系統電源包括±5 V、+3.3 V三組電源，其中利用電源充電芯片TP4056對鋰電池進行充電，并利用AP1609實現電源升壓，使系統能夠穩定輸出5 V；利用TI公司的電荷泵LM2662實現+5 V轉換為－5 V，另將+5 V轉換為+3.3 V給控制器以及部分數字芯片供電。系統除STM32微控制器需要+3.3 V供電以外，其余電路電源需通過軟件控制MOS管電路的開斷實現系統的整體休眠；而STM32微控制器則通過自身的待機模式實現休眠。通過軟件控制硬件電路電源的方式，實現整個系統的電源管理，以期降低系統的功耗，延長系統的工作時間。
2.1.2 交流激勵單元
交流激勵是檢測系統的重要組成部分，根據不同的檢測對象，所需的交流激勵大小有所不同，故需要產生頻率和幅值均可程控的電壓信號。該單元的設計中，選用ADI公司的AD9850芯片產生頻率可程控的交流電壓信號，固定輸出頻率1 kHz~1 MHz。在信號輸出端添加一個截止頻率為1 MHz的低通濾波器來濾除輸出信號中包含的高頻雜散噪聲。然后利用由TI公司提供的DAC7811與低偏置電壓運放OPA1662構成程控增益電路調節信號幅值，可實現最大增益范圍為±40 dB，單位增益帶寬高達300 kHz。經過后級放大之后，便可輸出可程控的交流電壓信號。為了更好地驅動激勵線圈，系統利用BUF634進行輸出功率放大，該芯片是由TI公司生產的250 mA高速開環增益緩沖器，輸出信號經過功率放大便可完成激勵線圈的交流激勵。交流激勵電路圖如圖 3所示。
圖3
交流電壓激勵示意圖
Figure3.
Schematic diagram of AC voltage excitation
為了增加傳感器響應信號的信噪比，消除“倍頻”效應對信號的影響[13]，磁彈性傳感器檢測裝置中多是采用在激勵線圈上施加一定的直流電流來提供直流偏置，這種方式產生的磁場分布均勻，但是增加了整個系統的復雜度，同時較大直流電流會產生熱量，增加系統功耗，也影響了元器件的性能。為了簡化系統復雜度，降低系統功耗，且能夠提供正常的直流偏置，本系統采用了兩片銣鐵硼永磁鐵片提供系統所需的直流偏置；將整個激勵和檢測線圈置于兩磁片中間，傳感器位于檢測線圈之上，形成整個激勵檢測系統，可通過調節磁片間的距離控制直流偏置磁場的大小。
2.1.3 檢測單元
系統采用掃頻檢測法，即激勵線圈和檢測線圈是分離的，只需要測量激勵過程中，檢測線圈兩端的電壓信號的變化，即可得到傳感器的共振頻率的信息。如圖 4所示，系統采用LTC1968實現有效值檢測功能并輸出幅值對應的有效值信號。LTC1968輸出不受輸入信號幅值影響，對于小于500 kHz的輸入信號其輸出信號誤差僅為1%。有效值信號輸出后，將其利用TI公司的A/D芯片ADS8326完成數據采集，最后通過SPI通訊協議將數據傳送至MCU進行處理。
圖4
檢測響應電路原理圖
Figure4.
Principle diagram of detecting response circuit
此外，低功耗硬件電路部分還包括控制核心單元和數據傳輸與存儲單元。控制核心單元由意法半導體公司推出基于ARM Cortex-M3內核的嵌入式控制型芯片STM32F103zet6，該芯片具有高性能、低成本、低功耗等特點，且能夠實現自身休眠功能，待機狀態耗電流為1 μA。數據傳輸則是通過無線藍牙的方式將數據傳遞給上位機，同時將數據保存在SD卡中。如果系統需長時間監測，數據不必傳輸給上位機，可以直接存儲在SD卡中。
2.2 低功耗軟件設計
本文采用Micrium公司提供的μC/OS-II操作系統實現整個低功耗軟件設計。μC/OS-II是一個搶占式的操作系統，每一個任務的功能程序均是死循環結構。根據硬件電路的功能需求，本系統采用功能集聚任務劃分法將系統的軟件設計分為以下幾個任務：根任務、系統硬件控制任務(即激勵信號任務)、數據采集任務、數據存儲任務以及低功耗任務等。如圖 5所示，系統首先要對硬件進行初始化，比如時鐘初始化、串口初始化、SD卡初始化等。然后是對操作系統的初始化，并創建開始任務；再進行系統的任務調度；遇到中斷申請時，需停止當前任務，處理相應的中斷服務，并等待中斷服務完成之后繼續執行。本系統在初始化完成之后，進入執行程序時，首先通過串口通信完成上位機的控制命令接收，并從控制命令中判斷系統工作模式，其中串口通信通過串口中斷函數USART1_IRQHandler()實現，并通過控制命令來實現對硬件電路的控制。AD數據采樣任務與SD卡的數據存儲任務以消息郵箱的通信方式完成。另外定時器會通過一個信號量的方式使AD采樣數據任務、硬件控制任務與其同步。而低功耗任務功能單一，且實時性要求不高，故只需一個單獨任務即可，但在SD卡數據存儲完成之后會提供一個標志位，用于低功耗任務的啟動；最后系統利用內部鬧鐘的方式完成整個設備的喚醒，并執行下一次工作。
圖5
操作系統多任務調度流程框圖
Figure5.
Flow chart of multi-task scheduling of operating system
2.3 檢測系統的硬件實物圖
如圖 6所示，搭建的系統長20 cm，寬15 cm。檢測系統主要包括控制單元、激勵與檢測單元、鋰電池供電單元、雙片永磁鐵提供的直流偏置以及激勵線圈和檢測線圈。
圖6
硬件實物圖
Figure6.
Picture of hardware matter circuit
3 實驗驗證與分析
3.1 磁彈性傳感器在不同介質中的測量變化
實驗選用鐵基非晶合金帶材1k101制作尺寸為20 mm×4 mm×28 μm的傳感器進行測試實驗。將傳感器放入長度為30 mm、直徑為5 mm的試管中，將試管放入檢測線圈中進行測量，通過相同的激勵參數完成傳感器在空氣、蒸餾水和不同濃度的甘油溶液中的重復測試實驗，其中測試液體的容量為0.5 mL。測量結果如圖 7所示，實驗結果表明，本裝置能夠通過磁彈性傳感器檢測不同介質中的共振頻率響應信號，同時發現同一傳感器在不同介質之間所產生的信號存在明顯差異，隨著傳感器周圍環境的阻尼增加，傳感器的響應信號會隨之減小，其實驗結果符合理論預期。如果在相同交流激勵下，調節兩片永磁片間的距離，即改變直流偏置大小，測量的傳感器共振頻率會有所差異，但不同介質之間的共振頻率峰值相對位置不變。
圖7
同一傳感器在不同介質中的響應曲線
Figure7.
Response curves of the same sensor in different media
3.2 不同尺寸傳感器的實驗驗證
對于同一種磁致伸縮材料，本身的泊松比σ、密度ρ和楊氏模量E是相同的，所以由公式(4)可知，同一種磁致伸縮材料其共振頻率只與材料的尺寸有關，即其共振頻率與尺寸成反比關系。
| $\frac{{{L_1}}}{{{L_2}}} \approx \frac{{{f_2}}}{{{f_1}}},$ |
選用寬度為4 mm，厚度為0.028 mm，長度分別為14、15、16、17、18、19、20 mm的非晶合金材料1k101做為測試傳感器。將傳感器放入長30 mm、直徑5 mm的試管中，將小試管放入檢測線圈中進行共振頻率的測試。測試結果如圖 8所示，傳感器尺寸與共振頻率滿足反比例關系，符合理論推導。同時，根據計算相鄰尺寸間傳感器平均共振頻率比[14]為0.933 8，而相鄰長度理論平均比例值為0.942 3，兩者非常接近，可認為系統能夠完成對不同尺寸的磁彈性傳感器進行測量。
圖8
傳感器尺寸與共振頻率關系圖
Figure8.
Curve of size of sensor and resonance frequency
3.3 不同檢測系統的功耗驗證實驗
將尺寸為20 mm×4 mm×28 μm的磁彈性傳感器，分別放入阻抗分析儀和計算機等設備搭建的組合式檢測系統、基于模塊化的集成式磁彈性傳感器檢測系統[15]和本檢測系統進行測試實驗，并利用寧波新城電子有限公司提供的電力監測儀測量其工作電壓、工作電流和功率。具體測試結果如表 1所示，測試結果表明，組合式磁彈性傳感器檢測系統的功耗是最高的，可達數百瓦，集成式檢測系統的功耗可以降低到30 W左右，而本系統工作狀態下的功率僅為0.68 W；另外，組合式和集成式的檢測系統無待機模式，即使系統關閉，由于適配器工作的原因，其功耗仍然為5.7 W，本系統待機模式下功率僅為2.20 mW；由此可知，本系統能夠完成磁彈性傳感器的長期監測，實現磁彈性傳感器檢測系統的低功耗設計。
表1
不同檢測系統的功耗
Table1.
Power consumption of different detecting systems
4 結論
本文分析了磁彈性傳感器共振頻率檢測的工作原理，并闡述了現有磁彈性檢測系統的不足，利用掃頻法，設計了一套基于STM32為核心的便攜式、低功耗磁彈性檢測系統，并完成了性能測試實驗和功耗測試實驗。實驗結果顯示，該系統頻率分辨率為1 Hz，能實現在不同介質中的頻率測量，也能實現對不同尺寸磁彈性傳感器的測量，且共振頻率比為0.933 8。另外，通過各類檢測系統功率對比得知，該系統目前功耗最低，工作時功耗為0.68 W，待機休眠時功耗為2.20 mW。綜上可知，系統具有高集成度、高精確度、便攜性好、功耗低，同時可以滿足傳感器在不同環境下對被測物進行長期監測等優勢。為磁彈性傳感器檢測的研究者提供了一套便攜式低功耗磁彈性傳感器檢測系統設計方案。
0 引言
磁彈性傳感器是采用鐵基非晶合金帶材，如1k101、Metglas2628，作為敏感元件，利用磁致伸縮效應而設計成的一種傳感器[1]。在外加激勵磁場作用下，傳感器由于磁致伸縮效應其長度會隨激勵磁場周期性變化而變化，即周期性振動。當激勵磁場的頻率與傳感器固有振動頻率一致時，傳感器與激勵磁場發生共振，此時振動幅度最大。而該共振頻率或共振幅值會隨周圍環境變化而發生改變，利用該原理可實現質量負載、溫度、黏度等物理量的測量[2]。該傳感器具有無線無源、體積小、成本低、靈敏度高的優點，使其在物理[3]、生化[4]、生物醫學[5]等領域得到了廣泛的關注。特別是在生物傳感器領域，比如在傳感器表面修飾生化敏感成分，利用與被檢測對象的特異性反應可實現對生化物質或細菌等的檢測，如大腸桿菌(Escherichia coli)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、鼠傷寒沙門菌(Salmonella typhimurium)等[6-8]。
目前磁彈性傳感器檢測多是基于共振傳感模型機制，而傳統的磁彈性傳感器檢測系統多是由實驗室大型儀器組合搭建而成，形成組合式的磁彈性傳感器檢測系統，例如赫姆霍茲線圈和鎖相放大器[9]、網絡分析儀和永磁鐵陣列等[10]，雖然這類組合式檢測系統構建簡單、精度高，但是存在儀器價格昂貴、操作復雜、體積龐大和無法便攜使用等諸多缺陷，限制了磁彈性傳感器只能在實驗室內使用。隨著磁彈性傳感器應用研究不斷深入，對磁彈性傳感器檢測系統提出了更高的要求；近年來借助微控制器和集成電路的設計實現集成式磁彈性傳感器檢測系統，比如基于MSP430的磁彈性傳感器檢測系統[11]，彌補了組合式檢測系統的一些不足，但是仍存在功耗過高、便攜性差、無法長時監測等缺點，阻礙了磁彈性傳感器多領域的應用研究。針對上述問題，本文提出一套基于掃頻法的磁彈性傳感共振頻率檢測系統。檢測系統以STM32為控制核心，利用交流磁場和直流偏置磁場實現對傳感器激勵；然后利用信號采集單元和數據傳輸、存儲單元實現傳感器共振特性采集與傳輸；結合鋰電池實現整體系統供電，以達到低成本、低功耗、操作方便、便攜性可靠、能長期監測的低功耗磁彈性傳感器共振頻率檢測系統的設計目的。
1 磁彈性傳感器工作原理
磁彈性傳感器是通過共振頻率的偏移量來反映被測物的性狀；而計算共振頻率偏移量需要檢測磁彈性傳感器的共振頻率變化。根據磁致伸縮效應，磁彈性傳感器在自由狀態下受到外部磁場激勵時會發生橫向和縱向的形變，導致傳感器共振頻率也發生改變，由此便可計算出共振頻率偏移量，得出被測物的信息或狀態。如圖 1所示為傳感器振動模型。
圖1
磁彈性傳感器振動模型
Figure1.
Schematic diagram of magneto-elastic sensor vibration model
如圖 1所示，假定磁彈性傳感器放置在XY平面，沿X軸上施加激勵磁場，由于磁致伸縮效應，傳感器沿X軸、Y軸、Z軸均會發生振動；但X軸振動更為劇烈，影響最大，傳感器X軸振動方程如下：
| $\frac{{{\partial ^2}u\left( {x,t} \right)}}{{\partial {t^2}}} - \frac{E}{{\rho \left( {1 - {\sigma ^2}} \right)}}\frac{{{\partial ^2}u\left( {x,t} \right)}}{{\partial {x^2}}} = 0$ |
式中，E為楊氏模量，ρ是密度，σ為材料泊松比，而u(x, t)則代表X軸方向的時間位移向量；而對于振動模型的傳感器有：
| $u\left( {x,t} \right) = u\left( x \right){e^{i\omega t}}$ |
結合(1)(2)方程可解得傳感器的共振頻率[7]為：
| ${f_n} = \frac{n}{{2L}}\sqrt {\frac{E}{{\rho \left( {1 - {\sigma ^2}} \right)}},} \left( {n = 1,2,3 \cdots \cdots } \right)$ |
式中L為傳感器長度。但應用中多只考慮傳感器共振頻率的基頻部分(即n=1)，故由方程(3)可得：
| ${f_0} = \frac{1}{{2L}}\sqrt {\frac{E}{{\rho \left( {1 - {\sigma ^2}} \right)}}} $ |
由方程(4)可以得出，磁彈性傳感器的共振頻率只與長度和材料的特性相關；但傳感器周圍環境變化同樣會影響傳感器共振頻率，如質量負載等。由此若忽略質量變化對體積的影響，在理想狀態下，磁彈性薄膜片的初始質量為M，增加后的質量為M+Δm；膜片質量變化后的密度為(1+Δm/M)ρ[12]；根據方程(1)可得到磁彈性薄膜片的振動方程：
| $\frac{{{\partial ^2}u\left( {x,t} \right)}}{{\partial {t^2}}} - \frac{E}{{\left( {1 + \frac{{\Delta m}}{M}} \right)\rho \left( {1 - {\sigma ^2}} \right)}}\frac{{{\partial ^2}u\left( {x,t} \right)}}{{\partial {x^2}}} = 0$ |
根據方程(4)(5)可得，磁彈性傳感器增加質量為Δm與共振頻率偏移量Δf可表示為：
| $\Delta m = - 2M \cdot \frac{{\Delta f}}{{{f_0}}}$ |
由公式(6)可知，磁彈性傳感器表面負載變化與其共振頻率的變化存在近似線性關系。因此，通過系統測量傳感器共振頻率變化，即可計算得出被測物對應的質量變化。
2 系統總體設計
為了更好地檢測磁彈性傳感器共振頻率變化量，提高檢測系統的實用性和便攜性；系統采用鋰電池提供電源，永磁鐵提供直流偏置激勵，無線藍牙實現數據傳輸，使檢測系統便攜化和小型化。檢測系統硬件電路結構如圖 2所示。
圖2
檢測系統硬件電路結構圖
Figure2.
Diagram of system hardware circuit
檢測系統采用掃頻檢測法，該方法通過激勵線圈和檢測線圈相互之間的互感變化實現對傳感器的共振頻率檢測。傳感器受到交流掃頻信號激勵時，由于磁致伸縮效應發生振動，在激勵信號頻率達到共振頻率點時，振動幅度達到最大，通過檢測線圈的感生電動勢也達到最大。通過測量檢測線圈中的感生電動勢的幅值信號，可以實現對傳感器共振頻率點的檢測。在交流激勵信號單元和永磁體提供的直流偏置下，由于磁致伸縮效應傳感器發生振動；有效值檢測單元通過測量檢測線圈中的感生電動勢，并將其轉換成為有效值輸出。然后利用AD采樣電路將采集的數據通過SPI總線方式傳輸至微控制器STM32中，最后通過無線藍牙通信將數據傳輸給上位機，并存儲至SD卡內。
2.1 低功耗硬件電路設計
2.1.1 電源管理單元
為實現檢測設備的長期性和便攜性，一般采用電池供電方式，然而使用者并不希望經常更換電池。所以系統的電源管理對于便攜式設備設計而言極其重要。本系統電源包括±5 V、+3.3 V三組電源，其中利用電源充電芯片TP4056對鋰電池進行充電，并利用AP1609實現電源升壓，使系統能夠穩定輸出5 V；利用TI公司的電荷泵LM2662實現+5 V轉換為－5 V，另將+5 V轉換為+3.3 V給控制器以及部分數字芯片供電。系統除STM32微控制器需要+3.3 V供電以外，其余電路電源需通過軟件控制MOS管電路的開斷實現系統的整體休眠；而STM32微控制器則通過自身的待機模式實現休眠。通過軟件控制硬件電路電源的方式，實現整個系統的電源管理，以期降低系統的功耗，延長系統的工作時間。
2.1.2 交流激勵單元
交流激勵是檢測系統的重要組成部分，根據不同的檢測對象，所需的交流激勵大小有所不同，故需要產生頻率和幅值均可程控的電壓信號。該單元的設計中，選用ADI公司的AD9850芯片產生頻率可程控的交流電壓信號，固定輸出頻率1 kHz~1 MHz。在信號輸出端添加一個截止頻率為1 MHz的低通濾波器來濾除輸出信號中包含的高頻雜散噪聲。然后利用由TI公司提供的DAC7811與低偏置電壓運放OPA1662構成程控增益電路調節信號幅值，可實現最大增益范圍為±40 dB，單位增益帶寬高達300 kHz。經過后級放大之后，便可輸出可程控的交流電壓信號。為了更好地驅動激勵線圈，系統利用BUF634進行輸出功率放大，該芯片是由TI公司生產的250 mA高速開環增益緩沖器，輸出信號經過功率放大便可完成激勵線圈的交流激勵。交流激勵電路圖如圖 3所示。
圖3
交流電壓激勵示意圖
Figure3.
Schematic diagram of AC voltage excitation
為了增加傳感器響應信號的信噪比，消除“倍頻”效應對信號的影響[13]，磁彈性傳感器檢測裝置中多是采用在激勵線圈上施加一定的直流電流來提供直流偏置，這種方式產生的磁場分布均勻，但是增加了整個系統的復雜度，同時較大直流電流會產生熱量，增加系統功耗，也影響了元器件的性能。為了簡化系統復雜度，降低系統功耗，且能夠提供正常的直流偏置，本系統采用了兩片銣鐵硼永磁鐵片提供系統所需的直流偏置；將整個激勵和檢測線圈置于兩磁片中間，傳感器位于檢測線圈之上，形成整個激勵檢測系統，可通過調節磁片間的距離控制直流偏置磁場的大小。
2.1.3 檢測單元
系統采用掃頻檢測法，即激勵線圈和檢測線圈是分離的，只需要測量激勵過程中，檢測線圈兩端的電壓信號的變化，即可得到傳感器的共振頻率的信息。如圖 4所示，系統采用LTC1968實現有效值檢測功能并輸出幅值對應的有效值信號。LTC1968輸出不受輸入信號幅值影響，對于小于500 kHz的輸入信號其輸出信號誤差僅為1%。有效值信號輸出后，將其利用TI公司的A/D芯片ADS8326完成數據采集，最后通過SPI通訊協議將數據傳送至MCU進行處理。
圖4
檢測響應電路原理圖
Figure4.
Principle diagram of detecting response circuit
此外，低功耗硬件電路部分還包括控制核心單元和數據傳輸與存儲單元。控制核心單元由意法半導體公司推出基于ARM Cortex-M3內核的嵌入式控制型芯片STM32F103zet6，該芯片具有高性能、低成本、低功耗等特點，且能夠實現自身休眠功能，待機狀態耗電流為1 μA。數據傳輸則是通過無線藍牙的方式將數據傳遞給上位機，同時將數據保存在SD卡中。如果系統需長時間監測，數據不必傳輸給上位機，可以直接存儲在SD卡中。
2.2 低功耗軟件設計
本文采用Micrium公司提供的μC/OS-II操作系統實現整個低功耗軟件設計。μC/OS-II是一個搶占式的操作系統，每一個任務的功能程序均是死循環結構。根據硬件電路的功能需求，本系統采用功能集聚任務劃分法將系統的軟件設計分為以下幾個任務：根任務、系統硬件控制任務(即激勵信號任務)、數據采集任務、數據存儲任務以及低功耗任務等。如圖 5所示，系統首先要對硬件進行初始化，比如時鐘初始化、串口初始化、SD卡初始化等。然后是對操作系統的初始化，并創建開始任務；再進行系統的任務調度；遇到中斷申請時，需停止當前任務，處理相應的中斷服務，并等待中斷服務完成之后繼續執行。本系統在初始化完成之后，進入執行程序時，首先通過串口通信完成上位機的控制命令接收，并從控制命令中判斷系統工作模式，其中串口通信通過串口中斷函數USART1_IRQHandler()實現，并通過控制命令來實現對硬件電路的控制。AD數據采樣任務與SD卡的數據存儲任務以消息郵箱的通信方式完成。另外定時器會通過一個信號量的方式使AD采樣數據任務、硬件控制任務與其同步。而低功耗任務功能單一，且實時性要求不高，故只需一個單獨任務即可，但在SD卡數據存儲完成之后會提供一個標志位，用于低功耗任務的啟動；最后系統利用內部鬧鐘的方式完成整個設備的喚醒，并執行下一次工作。
圖5
操作系統多任務調度流程框圖
Figure5.
Flow chart of multi-task scheduling of operating system
2.3 檢測系統的硬件實物圖
如圖 6所示，搭建的系統長20 cm，寬15 cm。檢測系統主要包括控制單元、激勵與檢測單元、鋰電池供電單元、雙片永磁鐵提供的直流偏置以及激勵線圈和檢測線圈。
圖6
硬件實物圖
Figure6.
Picture of hardware matter circuit
3 實驗驗證與分析
3.1 磁彈性傳感器在不同介質中的測量變化
實驗選用鐵基非晶合金帶材1k101制作尺寸為20 mm×4 mm×28 μm的傳感器進行測試實驗。將傳感器放入長度為30 mm、直徑為5 mm的試管中，將試管放入檢測線圈中進行測量，通過相同的激勵參數完成傳感器在空氣、蒸餾水和不同濃度的甘油溶液中的重復測試實驗，其中測試液體的容量為0.5 mL。測量結果如圖 7所示，實驗結果表明，本裝置能夠通過磁彈性傳感器檢測不同介質中的共振頻率響應信號，同時發現同一傳感器在不同介質之間所產生的信號存在明顯差異，隨著傳感器周圍環境的阻尼增加，傳感器的響應信號會隨之減小，其實驗結果符合理論預期。如果在相同交流激勵下，調節兩片永磁片間的距離，即改變直流偏置大小，測量的傳感器共振頻率會有所差異，但不同介質之間的共振頻率峰值相對位置不變。
圖7
同一傳感器在不同介質中的響應曲線
Figure7.
Response curves of the same sensor in different media
3.2 不同尺寸傳感器的實驗驗證
對于同一種磁致伸縮材料，本身的泊松比σ、密度ρ和楊氏模量E是相同的，所以由公式(4)可知，同一種磁致伸縮材料其共振頻率只與材料的尺寸有關，即其共振頻率與尺寸成反比關系。
| $\frac{{{L_1}}}{{{L_2}}} \approx \frac{{{f_2}}}{{{f_1}}},$ |
選用寬度為4 mm，厚度為0.028 mm，長度分別為14、15、16、17、18、19、20 mm的非晶合金材料1k101做為測試傳感器。將傳感器放入長30 mm、直徑5 mm的試管中，將小試管放入檢測線圈中進行共振頻率的測試。測試結果如圖 8所示，傳感器尺寸與共振頻率滿足反比例關系，符合理論推導。同時，根據計算相鄰尺寸間傳感器平均共振頻率比[14]為0.933 8，而相鄰長度理論平均比例值為0.942 3，兩者非常接近，可認為系統能夠完成對不同尺寸的磁彈性傳感器進行測量。
圖8
傳感器尺寸與共振頻率關系圖
Figure8.
Curve of size of sensor and resonance frequency
3.3 不同檢測系統的功耗驗證實驗
將尺寸為20 mm×4 mm×28 μm的磁彈性傳感器，分別放入阻抗分析儀和計算機等設備搭建的組合式檢測系統、基于模塊化的集成式磁彈性傳感器檢測系統[15]和本檢測系統進行測試實驗，并利用寧波新城電子有限公司提供的電力監測儀測量其工作電壓、工作電流和功率。具體測試結果如表 1所示，測試結果表明，組合式磁彈性傳感器檢測系統的功耗是最高的，可達數百瓦，集成式檢測系統的功耗可以降低到30 W左右，而本系統工作狀態下的功率僅為0.68 W；另外，組合式和集成式的檢測系統無待機模式，即使系統關閉，由于適配器工作的原因，其功耗仍然為5.7 W，本系統待機模式下功率僅為2.20 mW；由此可知，本系統能夠完成磁彈性傳感器的長期監測，實現磁彈性傳感器檢測系統的低功耗設計。
表1
不同檢測系統的功耗
Table1.
Power consumption of different detecting systems
4 結論
本文分析了磁彈性傳感器共振頻率檢測的工作原理，并闡述了現有磁彈性檢測系統的不足，利用掃頻法，設計了一套基于STM32為核心的便攜式、低功耗磁彈性檢測系統，并完成了性能測試實驗和功耗測試實驗。實驗結果顯示，該系統頻率分辨率為1 Hz，能實現在不同介質中的頻率測量，也能實現對不同尺寸磁彈性傳感器的測量，且共振頻率比為0.933 8。另外，通過各類檢測系統功率對比得知，該系統目前功耗最低，工作時功耗為0.68 W，待機休眠時功耗為2.20 mW。綜上可知，系統具有高集成度、高精確度、便攜性好、功耗低，同時可以滿足傳感器在不同環境下對被測物進行長期監測等優勢。為磁彈性傳感器檢測的研究者提供了一套便攜式低功耗磁彈性傳感器檢測系統設計方案。
