一種高精度絕緣材料厚度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

毛奎章 郭海燕

摘要：本論文探討了一種應(yīng)用于絕緣材料厚度測(cè)量的高精度、低成本系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)首先將被測(cè)物體的厚度設(shè)計(jì)為電容電極距，并通過(guò)電路轉(zhuǎn)化頻率值，在經(jīng)過(guò)AD采樣電路后，信號(hào)輸入FPGA進(jìn)行處理。FPGA以其硬件的并行特點(diǎn)，快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)測(cè)量、數(shù)據(jù)顯示等功能。通過(guò)系統(tǒng)整體測(cè)試可以看到，本系統(tǒng)完成了微米級(jí)厚度的精確測(cè)量，可推廣應(yīng)用到相關(guān)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。

關(guān)鍵詞：電容-頻率轉(zhuǎn)化;高精度測(cè)量;FPGA

中圖分類號(hào)：TG333.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1007-9416（2020）10-0000-00

絕緣材料，如紙張，塑料薄膜的生產(chǎn)，驗(yàn)收過(guò)程中，對(duì)其厚度有明確的要求，比如在GB/T30768-2014，明確要求包裝紙、塑料復(fù)合膜、袋的厚度誤差在±10%;在食品包裝袋的定制中，顧客也會(huì)對(duì)袋的厚度提出明確要求。本設(shè)計(jì)討論一種高精度、高性價(jià)比的厚度測(cè)量電路，以期獲得絕緣材料厚度的快速、準(zhǔn)確的測(cè)試方法。

為了實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一、便利，本次設(shè)計(jì)擬采用70克打印紙為測(cè)試目標(biāo)，通過(guò)對(duì)其紙張數(shù)目的正確測(cè)試，獲得其厚度數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

因?yàn)殡娙葜担? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：--介質(zhì)介電常數(shù)，S--兩極板正對(duì)面積，--靜電力常量， --兩極板間垂直距離。

電容的制作：在制作固定面積的兩個(gè)金屬極板和相應(yīng)的固定夾具后，把待測(cè)的絕緣材料置于極板之間，其厚度決定著電容值的一一對(duì)應(yīng)，正確測(cè)得電容值，即可獲得厚度數(shù)據(jù)。

測(cè)試方案分析：

方案一：電容與信號(hào)源，功率電阻串聯(lián)構(gòu)成電路，通過(guò)測(cè)試功率電阻上的電壓，利用在校準(zhǔn)階段建立的“電壓-紙張數(shù)”查找表，獲得紙張數(shù)量。本方案經(jīng)過(guò)搭建、測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電壓受到噪聲的干擾比較大，并且降低干擾的方法成本偏高，本方案不宜采用。

方案二：將變化的電容轉(zhuǎn)換為變化的頻率進(jìn)行測(cè)試。本方案由模擬電路，數(shù)字電路兩個(gè)部分組成，其中，模擬電路實(shí)現(xiàn)電容值到頻率值的轉(zhuǎn)化，將頻率信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換后，送數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。因?yàn)槟M電路可以選用常見的555時(shí)基電路進(jìn)行搭建，成本較低，精度也符合要求，對(duì)AD轉(zhuǎn)換電路的參數(shù)要求不高，成本可控，數(shù)字部分采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA具有硬件電路的并行特點(diǎn)，系統(tǒng)集成度高，其本身性價(jià)比較高，可以使系統(tǒng)更加高速，體積小，便于安裝，適合于生產(chǎn)線的使用。據(jù)此，本設(shè)計(jì)采用方案二。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

以555時(shí)基電路為核心芯片，外加電阻和電容構(gòu)成多諧振電路，輸出方波信號(hào)，其頻率大小由R和C決定[1]。由此，本待測(cè)電容接入芯片的2、6引腳，接通電源后，電容的充放電使芯片的輸出端產(chǎn)生一定頻率的方波。其振蕩頻率、占空比D的計(jì)算公式分別為（2）、（3）：

（2）

（3）

根據(jù)所測(cè)試的頻率范圍，占空比的要求，選定R1，R2的值，分別為47KΩ，100KΩ，占空比為40%。由上述公式計(jì)算得到，放入1張紙的時(shí)候，電容C=6.9141F，隨著紙張數(shù)的增加，被測(cè)電容C的容值將隨距離增加而逐漸減小，如果以測(cè)量30張紙為測(cè)試最大值，此時(shí)電容C=0.2305F，由于被測(cè)電容值過(guò)小，為了提高系統(tǒng)信噪比，需要增加參與諧振的電容值，考慮并聯(lián)一個(gè)10pF的電容。

電路圖如圖1所示。

為了減少電源紋波對(duì)測(cè)試的干擾，在電源端，并聯(lián)接入了電解電容10uF、瓷片電容0.1uF，達(dá)到去耦目的。

為了減少干擾，降低成本，設(shè)計(jì)制作單面PCB，如圖2所示。

被測(cè)電容極板也用單面PCB實(shí)現(xiàn)。

3 AD模塊設(shè)計(jì)

此次使用的AD采樣模塊，其核心芯片是AD公司的AD9280，最大采樣率32MSPS，輸出的采樣值量化位寬8bits，其采樣頻率由FPGA給出。

4 FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因?yàn)闇y(cè)量精度要求高，需要有校準(zhǔn)、測(cè)量?jī)蓚€(gè)過(guò)程，將使用FPGA系統(tǒng)完成[2]。其中，校準(zhǔn)過(guò)程中，完成基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的獲得與存儲(chǔ);測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)比對(duì)頻率，獲得被測(cè)紙張數(shù);最后顯示測(cè)量結(jié)果。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

用戶通過(guò)按鍵輸入，進(jìn)行自校準(zhǔn)模式，測(cè)試模式的切換，系統(tǒng)也分別亮起不同的LED燈，提醒用戶。

下面對(duì)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明

4.1 測(cè)頻模塊

AD采樣模塊接收來(lái)自555電路輸出的振蕩方波信號(hào)，以2.1V為閾值對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯0或1的判定;FPGA板上時(shí)鐘是50MHz，通過(guò)分頻模塊獲得占空比為50%，周期為2秒的測(cè)頻控制信號(hào)，即，該信號(hào)1秒的高電平作為測(cè)頻使能信號(hào)，1秒的低電平控制測(cè)得的頻率值鎖存[3]。

計(jì)數(shù)模塊以AD模塊輸入的方波信號(hào)為時(shí)鐘信號(hào)，在測(cè)頻控制信號(hào)1秒鐘的高電平信號(hào)期間，模塊對(duì)該方波上升邊沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，1秒鐘計(jì)數(shù)得到的值，即是測(cè)得的頻率值;當(dāng)測(cè)頻控制信號(hào)是低電平時(shí)，計(jì)數(shù)值（頻率值）不變，鎖存。為了減少測(cè)量誤差，本次設(shè)計(jì)將在給定的8個(gè)時(shí)間段里，采集8個(gè)頻率數(shù)據(jù)，求取平均值后作為頻率測(cè)試值輸出到后續(xù)模塊中。

4.2 按鍵模塊

本設(shè)計(jì)需要兩類按鍵，第一類通過(guò)按鍵向系統(tǒng)送入當(dāng)時(shí)的紙張數(shù);第二類是確認(rèn)信息，是用戶在完成紙張數(shù)值輸入，或系統(tǒng)穩(wěn)定后可以開始測(cè)試的提示信號(hào)。本部分包括：軟件消抖模塊，按鍵邊沿檢測(cè)模塊。

軟件消抖模塊因?yàn)橄螺d板沒有硬件消抖電路，為避免對(duì)按鍵輸入的誤判，此模塊以50MHZ為系統(tǒng)時(shí)鐘，將按鍵的輸入連接到模塊的輸入端（PIN_IN），隨后模塊通過(guò)在足夠長(zhǎng)的時(shí)間里，進(jìn)行多次信號(hào)采樣判斷，獲得按鍵真實(shí)信息，給輸出端（PIN_OUT）以穩(wěn)定的0或者1的輸出，達(dá)到按鍵消抖的目的。

按鍵邊沿檢測(cè)模塊，是通過(guò)對(duì)消抖后的輸入確認(rèn)信息的按鍵進(jìn)行檢測(cè)，獲得其上升沿，即獲取用戶的確認(rèn)操作，以提示系統(tǒng)可以進(jìn)行后續(xù)的工作。

4.3 校準(zhǔn)模塊

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自校準(zhǔn)模式。放入紙張，待監(jiān)控到頻率數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定后，通過(guò)按鍵輸入此時(shí)的紙張數(shù)，并隨后按下確認(rèn)鍵，讓頻率值存入RAM中，其中存儲(chǔ)單元的地址等于紙張數(shù)。模塊仿真圖如圖4所示

從上面可以看出 按鍵脈沖來(lái)后，立即更新地址值，再經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)時(shí)鐘周期RAM輸入值變化，同時(shí)LED跳變表示成功保存校準(zhǔn)值。RAM相應(yīng)的存儲(chǔ)單元輸入本段時(shí)間測(cè)得的頻率平均值。

4.4 查找表數(shù)據(jù)處理模塊

在測(cè)試模式下，該模塊接收測(cè)頻模塊輸入的頻率，依次讀出RAM 預(yù)存的各個(gè)頻率，求它們與輸入頻率差值的絕對(duì)值，隨后求得絕對(duì)值中的最小值，則相應(yīng)的頻率所在的RAM地址即為輸入頻率對(duì)應(yīng)的紙張數(shù)。

4.5 結(jié)果顯示模塊

本次設(shè)計(jì)采用六位一體數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示紙張數(shù)，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)電平使得蜂鳴器發(fā)出提示音。在自校準(zhǔn)過(guò)程中，也可再接入一套數(shù)碼管，實(shí)時(shí)顯示頻率值，使得基準(zhǔn)數(shù)據(jù)更精確。

5 系統(tǒng)總體測(cè)試

將555電路輸出的頻率信號(hào)接入AD采樣模塊，AD模塊的輸出連接到FPGA下載板，完成硬件搭建，測(cè)試電路如圖5所示。

在測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)在紙張安裝好后，夾具的壓力與頻率相關(guān)性比較大，于是采用固定夾具壓力，也觀察到頻率開始一段時(shí)間變化較大，后趨于平緩，由此調(diào)試程序，在延遲一定時(shí)間后，才進(jìn)行頻率數(shù)據(jù)的采集與測(cè)試。

在調(diào)試中觀察到，作為高精度測(cè)量，測(cè)試環(huán)境的溫度，濕度，對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，也提示本系統(tǒng)在每次測(cè)試前，都必須進(jìn)行自校準(zhǔn)操作，使得存入RAM的數(shù)據(jù)，符合當(dāng)前環(huán)境的特點(diǎn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，曾嘗試采用曲線擬合的方式進(jìn)行RAM數(shù)據(jù)獲得，減少自校準(zhǔn)時(shí)間，但是發(fā)現(xiàn)擬合的誤差較大，往往會(huì)掩蓋細(xì)微厚度引起的電容變化，建議后期使用中不采用此方法。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)在多種環(huán)境下，均能穩(wěn)定完成1到48張紙的厚度測(cè)量，準(zhǔn)確報(bào)告紙張數(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)完成了微米級(jí)厚度測(cè)量，是一套高精度、高速、低成本測(cè)量電路系統(tǒng)?？赏茝V至相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)線，驗(yàn)收環(huán)節(jié)使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 祝水軍，李良兒.一種基于555定時(shí)器的方波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)[J].浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，18（2）：30-33

[2] 劉桂華，羅亮.基于FPGA 的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

[3] 徐冬冬，閆嘉琪.基于FPGA的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020，38（6）：120-121.

收稿日期：2020-09-10

作者簡(jiǎn)介：毛奎章（1968—），男，四川青神人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：信息處理及顯示技術(shù)。

A Kind of High-precision Measurement System Design for Insulating Materials Thickness

MAO Kui-zhang1，GUO Hai-yan2

（1.Sichuan Changhong Electric Co.， Ltd，Mianyang Sichuan? 621000;2.Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan? 621010）

Abstract：This paper discusses a high-precision and low-cost system for thickness measurement of insulating materials。In this design， at first ，the thickness of the measured object is designed as the capacitance electrode distance which is converted into a frequency value by a circuit; then，the digitalized frequency signals are inputted to FPGA by AD sampling circuit . The system self-calibration， real-time measurement， data display and other functions quickly realized because of FPGA parallel characteristics. Overall system test displays that the system can achieve accurate measurement of micron thickness of insulating material，it can be extended to the relevant production measurement system.

Keywords： Capacitor-frequency conversion; High precision measurement;FPGA