基于電容檢測的紙張測量系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：：為實現(xiàn)紙張類物品數(shù)量的快速測量，設(shè)計了基于電容檢測的紙張測量系統(tǒng)。構(gòu)建平行極板電容器，利用 L-C 諧振原理，在硬件“STM32+FDC2214”平臺下測量諧振頻率，計算得到電容值。通過電容信號得到測量紙張的數(shù)量，制作了單測量單元和多測量單元用于對比實驗。軟件設(shè)計引入 COS-II 嵌入式操作系統(tǒng)，增強系統(tǒng)的可靠性與安全性，系統(tǒng)具備學(xué)習(xí)和測量兩種模式，通過學(xué)習(xí)模式算法得到電容與極板間距的擬合關(guān)系，在測量模式下使用 OLED 顯示屏顯示測量結(jié)果。經(jīng)多次系統(tǒng)測試驗證，所設(shè)計系統(tǒng)可以實現(xiàn)多達(dá) 80 張紙的快速測量，提高了測量精度

關(guān)鍵詞：電容檢測；紙張測量系統(tǒng)；電容傳感器；FDC2214；嵌入式操作系統(tǒng)

中圖分類號：TM930.9;TP311" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3583（2024）-0082-04

Design of Paper Measurement System Based on

Capacitive Detection

HU Fei， GAO Si-han

（College of Information and Artificial Intelligence， Wuhu Vocational and Technical College， Wuhu 241006， China）

Abstract： In order to realize the rapid measurement of the number of paper items， a paper measurement system based on capacitance de tection is designed. The parallel plate capacitor is constructed， and the capacitance value is calculated by measuring the resonant fre quency on the hardware“STM32+FDC2214”platform using the L-C resonant principle. The quantity of measuring paper is obtainedby capacitance signal， and single measuring unit and multiple measuring units are made for comparison experiment. Introduced in sof tware design COS-II embedded operating system enhances the reliability and security of the system. The system has two modes oflearning and measurement. The fitting relationship between capacitance and electrode plate spacing is obtained through the algorithmin the learning mode， and the measurement results are displayed using OLED display screen in the measurement mode. After many timesofsystem tests， the designed system can realize the fast measurement of up to 80 sheets of paper， and improve the measurement accuracy.

Keywords： capacitor detection; paper measurement system; capacitive sensor; FDC2214; embedded operating system

印刷和包裝應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)常需要對紙張類物品進(jìn)行計數(shù)，常見計數(shù)裝置的工作原理有機(jī)械式、光電式、超聲波以及機(jī)器視覺等[1]。機(jī)械式裝置效率較低且容易損壞被測紙張，光電式裝置易受外界光線干擾影響精度，超聲波所需的超聲換能器價格昂貴，機(jī)器視覺類裝置需要專業(yè)的圖像采集設(shè)備與算法才可以實現(xiàn)穩(wěn)定測量。

文獻(xiàn)[2]通過時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)結(jié)合專用的集成電子器件和定制的探測器實現(xiàn)高精度測量。文獻(xiàn)[3]使用無監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)方法對待測量物進(jìn)行主成分分析，使用動態(tài)閾值設(shè)置對分析后的測量物進(jìn)行拆分和合并，完成計數(shù)與測量。文獻(xiàn)[4]引入特征融合層和區(qū)域識別模塊，提高計數(shù)性能，通過特征融合層融合低層次紋理特征和高層次特征，避免大量特征丟失，提高計數(shù)效率，但上述三種方法的測量過程較復(fù)雜。

基于電容檢測原理的紙張類測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通過測量極板之間不同數(shù)量的薄膜或紙張對應(yīng)的電容值，得到極板間介質(zhì)的實際數(shù)量[5]，而極板間紙張類介質(zhì)數(shù)量改變引起的電容變化非常小，一般在pF數(shù)量級，直接測量電容值存在困難，需采用其他方式間接測量電容值。不同介質(zhì)也會造成測量數(shù)值的差異，測量系統(tǒng)還應(yīng)具備學(xué)習(xí)功能。

1" 電容法檢測原理

基于電容檢測原理的通用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2" "硬件設(shè)計

2.1" "系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用“STM32+FDC2214”結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

STM32作為主控制器，用來協(xié)調(diào)測量流程；FDC2214作為測量電容的傳感器芯片，通過測量諧振頻率計算得到極板電容值[7]。為測量方便，增加按鍵輸入和顯示輸出功能，按鍵可以啟動學(xué)習(xí)或測量流程，SPI接口的OLED顯示屏顯示測量結(jié)果。

2.2" "平板電容器的設(shè)計

用玻璃纖維環(huán)氧樹脂敷銅板（FR4）作為極板材料（如圖 3 所示）組成平行極板電容器，板上有厚度35 m 的矩形銅箔，面積 50mm×50mm。考慮到FDC2214 有 4 路測量通道，除一個測量單元的敷銅板外，還設(shè)計了四路同時測量的敷銅板，可以一次采集更多數(shù)據(jù)，便于后續(xù)算法做均值處理。

2.3" "FDC2214硬件電路設(shè)計

FDC2214是一款高分辨率、多通道測量電容的傳感器芯片，工作頻率10KHz～10MHz，內(nèi)部的窄帶結(jié)構(gòu)可以增強EMI抗擾性，有效降低白噪聲干擾。內(nèi)部基于L-C諧振原理，在每個檢測通道的輸入端連接一個電感和電容，組成L-C振蕩電路，通過測量L-C諧振器的振蕩頻率f，計算得到等效電容值[8]。微控制器通過I2C接口與FDC2214連接，如圖4所示。

其中，I2C接口接入上拉電阻R12、R13，ADDR引腳在多個FDC2214模塊時可以進(jìn)行片選工作，每次電容測量完成之后，對應(yīng)的INTB引腳會產(chǎn)生對應(yīng)的中斷信號。

2.4" "L-C諧振電路

FDC2214支持單端和差分兩種模式，為了提高抗干擾性能，本設(shè)計采用差分配置模式，其諧振電路的前端配置如圖5所示。

2.5" "STM32最小系統(tǒng)設(shè)計

采用32位單片機(jī)STM32F103作為控制核心，其運行頻率可達(dá)72MHz，集成度高，擁有功能強大、效率高的指令系統(tǒng)，并配備了豐富的外設(shè)可供使用，開發(fā)編程環(huán)境操作簡單[9]，STM32與FDC2214之間采用I2C接口通信，最高通信速度可以達(dá)到400kbit/s，通過I2C接口STM32可以配置FDC2214的各項參數(shù)（如工作模式、分辨率等），讀取傳感器的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)；采用1.44寸SPI接口的OLED顯示屏顯示測量結(jié)果和報警信息，設(shè)置了2個獨立按鍵用于測量和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。

2.6" 系統(tǒng)實物圖

上下兩極板垂直放置，且需保持一定壓力來保證紙張在測量過程中的穩(wěn)定性，綜上所述設(shè)計如圖6所示的紙張測量固定結(jié)構(gòu)，為試驗方便，圖6中的上下極板可以自由更換為多測量單元極板。

3" 軟件設(shè)計

基于 STM32 硬件平臺的軟件設(shè)計通常采用 C語言的嵌入式編程，為了讓軟件系統(tǒng)具有更高的可靠性與安全性，避免軟件中各個功能模塊的過度耦合，設(shè)計中引入 COS-II 嵌入式操作系統(tǒng)，它具有結(jié)構(gòu)簡潔精練、可讀性強的特點，最多可支持 256 個任務(wù)，其穩(wěn)定性和安全性得到了美國聯(lián)邦航空管理局的認(rèn)證[10]，設(shè)置配置文件 os_cfg.h 中的 OS_TICKS_PER_SEC參數(shù)為 1000，則操作系統(tǒng)運行的時鐘節(jié)拍為 1ms，任務(wù)調(diào)度的最小周期為 1ms。

在操作系統(tǒng)啟動之前，需要開展初始化工作，如相關(guān)參數(shù)的初始化，與獨立按鍵連接的 GPIO 初始化，與 FDC2214 通信的I2C 接口、與屏幕連接的SPI接口和為了調(diào)試方便的 UART 接口等的初始化，其中 COS-II 操作系統(tǒng)的初始化主要包括任務(wù)的創(chuàng)建以及任務(wù)間通信所用的信號量、郵箱以及消息隊列的創(chuàng)建，每個任務(wù)分配有獨立的堆棧空間和任務(wù)入口，在任務(wù)創(chuàng)建成功后，將CPU的調(diào)度權(quán)限通過OS_Start（）函數(shù)交給操作系統(tǒng)[11]，系統(tǒng)的初始化流程如圖7 所示。

基于 COS-II操作系統(tǒng)設(shè)計了 4 個用戶任務(wù)，分別為 OLED 顯示任務(wù)（Task_GUI）、按鍵處理任務(wù)（Task_Key）、FDC2214 數(shù) 據(jù) 讀 取 任 務(wù)（Task_FDC2214）、測量狀態(tài)機(jī)任務(wù)（Task_Function），各個模塊之間通過信號量、郵箱以及消息隊列更新相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其相互關(guān)系如圖 8 所示，各個任務(wù)相互獨立運行但又緊密聯(lián)系。

4" "測試與數(shù)據(jù)

由于不同材質(zhì)的紙張相對介電常數(shù)不一致，測量同類型紙張時需首先讓測量系統(tǒng)學(xué)習(xí)并記錄當(dāng)前紙張的相關(guān)參數(shù)，通過多次測量的方式得到此類紙張的相關(guān)參數(shù)[12]，便于后續(xù)的測量，基于此開展相關(guān)測試。

采用單測量單元極板，兩極板處于平行位置，將1～4張紙分別平行放置在兩極板之間，通過多次測量得到了單測量單元多次測試數(shù)據(jù)如表1所示。

采用多測量單元（圖4中的極板），極板相對平行放置，將1～4張紙分別放置在兩極板之間，通過多測量單元得到多次測試數(shù)據(jù)如表2所示，其中U1～U4對應(yīng)測量的極板編號。

根據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)可知，與單測量單元相比，多測量單元構(gòu)成的多通道系統(tǒng)可以在相同時間里獲取更多數(shù)據(jù)，在一定程度上提高了測量精度，但同時會造成d值增大情況下電容值更小，不利于更多紙張的測量。

為提高紙張測量前的學(xué)習(xí)效率，只測量奇數(shù)紙張對應(yīng)的電容參數(shù)值，在學(xué)習(xí)模式下OLED顯示需要放入的紙張數(shù)目，測量其電容值如表3所示。

5" "結(jié)論

作者設(shè)計了基于電容檢測的紙張測量系統(tǒng)。構(gòu)建平行極板電容器，利用L-C諧振原理，將“STM32+FDC2214”作為硬件平臺，測量諧振頻率計算得到電容值，通過電容信號得到測量紙張的數(shù)量。在軟件設(shè)計中，引入 COS-II 嵌入式操作系統(tǒng)，得到電容與極板間距的擬合關(guān)系，使用 OLED 顯示屏顯示測量結(jié)果。通過系統(tǒng)測試表明該系統(tǒng)能夠有效提高測量精度，可實現(xiàn)多達(dá) 80 張紙的快速測量。

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（責(zé)任編輯：朱 彬）