专利名称：一种具有参数自动设定功能的金属探测门的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属探测门，尤其是涉及一种具有参数自动设定功能的金属探测门。
背景技术：
金属探测门是一种检测行人有无携带金属物品的探测装置，又称安检门(Metaldetection door)。金属探测安检门主要应用在机场,车站,大型会议等人流较大的公共场所用来检查人身体上隐藏的金属物品。金属安全探测门已经进入数字化时代，使用了很多当今的先进技术，性能越来越出色，但是仍然处在不断发展完善中。目前的金属检测门在使用时存在着至少三个方面的缺陷:第一、金属探测门的参数设定都是通过手工进行的，如申请号为201020157587.4的专利:金属检测门，该金属探测门中采用的参数调整方式就是通过操作人员手工设置的。实际上这种方式大大降低了金属检测门的智能程度，并且由于这用参数的调整往往只有少数专业人员才知道如何操作，这就对非专业人员使用金属检测门造成了极大的不方便，这也降低了金属检测门方便性。第二、最新的金属探测门虽然实现了分区探测，但没有针对各个区域的的不同特性进行进一步的细分，造成如腰带等含有金属的正常物品也产生报警，此时需要工作人员进行费时的搜查，增加了工作量。第三、现有的金属检测门如专利申请号为:02293547.9的数码金属探测门其信号发生是通过方波发生电路与正弦波转换电路组成或者添加DDS硬件电路形成，这大大增加了硬件数量，并且其产生的信号质量不高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种检测准确性高的具有参数自动设定功能的金属探测门。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:—种具有参数自动设定功能的金属探测门，包括发射线圈、接收线圈和探测信号处理电路和人机交互模块，所述的探测信号处理电路包括DSP、FPGA模块、D/A模块、A/D模块、滤波放大模块和乘法器，所述的接收线圈、乘法器、滤波放大模块、A/D模块和FPGA模块依次连接，所述的FPGA模块通过D/A模块分别连接发射线圈和乘法器，所述的DSP分别与人机交互模块、FPGA模块以及滤波放大模块连接；金属探测门可通过探测信号处理电路进行检测参数的自动设定，该自动设定的具体过程为=FPGA模块作为DDS信号发生器产生发射信号和载波信号，发射信号通过D/A模块进行数模转换后由发射线圈进行发射，载波信号通过D/A模块进行数模转换后输入至乘法器；当检测目标通过时，接收线圈接收产生偏移的检测信号，与输入至乘法器的载波信号相乘得到合成信号，该合成信号依次经滤波放大模块和A/D模块后得到直流信号，输入至FPGA模块，由DSP进行数据处理，获取可以减少产品效应的信号相位值和滤波放大模块增益值，保存于人机交互模块内，DSP根据信号相位值控制FPGA产生载波信号和发射信号，根据滤波放大模块增益值调整滤波放大模块的增益。在进行自动设定时，所述的FPGA模块先后产生两个正交的载波信号，分别与接收线圈接收到的信号进行相乘，经滤波放大模块得到两个直流信号，所述的两个直流信号通过DSP进行比较后，将较大的直流信号经A/D模块输入至FPGA模块。DSP进行数据处理的具体过程为:I)获取直流信号的幅值D，将该直流信号的幅值D与DSP预设的第一阈值Vl和第二阈值V2比较，其中，Vl >V2，若D< V2，则执行步骤2);若D > VI，则执行步骤5) ；^V2< D < VI，则执行步骤6)；2)将直流信号D与一个小于第二阈值V2的第三阈值V3进行比较，若D < V3，则执行步骤3);若V3 < D < V2，则执行步骤4)；3)调节滤波放大模块的增益至最大值，再将直流信号D与第三阈值V3，若此时还存在D < V3，则将当前的增益值保存于存储器内，用于控制滤波放大模块，结束自动设定；若0 > V3，则返回步骤I)；4)提高滤波放大模块的增益后返回步骤I)；5)降低滤波放大模块的增益后返回步骤I)；6)调节FPGA模块所输出信号的相位，直至直流信号达到极小值，同时保存当前信号相位值。所述的金属探 测门设有多个检测区域，分别用于检测目标的不同部位，每个检测区域设有独立的发射线圈和接收线圈，所述的接收线圈通过选通开关与DSP连接，通过选通开关对各个接收线圈进行独立的开关控制。所述的人机交互模块包括单片机、LED报警灯、存储器、蜂鸣器、液晶屏和键盘，所述的LED报警灯、存储器、蜂鸣器、液晶屏和键盘分别与单片机连接，该单片机连接DSP。所述的单片机和DSP之间采用MAX485串口连接。所述的接收线圈的绕线方式采用差分绕法。所述的FPGA模块包括DSP通信单元、A/D控制与数据采集单元、D/A控制单元、载波相位控制单元、发射相位控制单元和正弦波产生单元，所述的DSP通信单元分别连接DSP、A/D控制与数据采集单元、载波相位控制单元、发射相位控制单元和正弦波产生单元，所述的载波相位控制单元和发射相位控制单元分别与正弦波产生单元连接，所述的D/A控制单元分别连接正弦波产生单元和D/A模块，所述的A/D控制与数据采集单元连接A/D模块；A/D控制与数据采集单元接收来自A/D模块的数据，并将该数据通过DSP通信单元发送至DSP进行数据处理，处理得到的相位和频率信息由DSP通信单元接收，其中频率信息直接发送至正弦波产生单元，相位信息发送至载波载波相位控制单元和发射相位控制单元，由正弦波产生单元产生对应频率和相位的正弦波，通过D/A控制单元发送至D/A模块。与现有技术相比，本发明可以自动设定各检测区域载波信号的载波相位、信号增益等信号参数，减小由于手工设定对检测精度的影响，方便使用；各个检测区域的参数相互独立，不仅使金属探测门可靠性得到改善，而且极大提高了金属探测门的智能化水平；采用FPGA实现直接数字频率合成(DDS技术)可以方便调节发射信号或载波信号的频率、相位等参数，而现有的金属检测门波形产生方式存在相位、频率调节困难或者硬件电路复杂等问题，本发明不仅使得金属探测门的可靠性得到了提升，而且在减少硬件电路的基础上提高了金属探测门的智能化水平，使得金属检测门有更强的市场竞争力。
图1为本发明的电路结构示意图；图2为本发明数字信号处理模块在自动设定中的具体处理过程的流程图；图3为DDS基本原理图；图4为系统参数自动设定整体工作流程图；图5为FPGA模块的结构示意图；图6为涡流检测的原理图，其中图6(a)为电涡流产生的示意图，图6 (b)为其等效电路图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例一种具有参数自动设定功能的金属探测门，包括发射线圈1、接收线圈2、DSP3、FPGA模块4、D/A模块5、A/D模块6、滤波放大模块7、乘法器8、选通开关9、单片机10、LED报警灯11、存储器12、蜂鸣器13、液晶屏14和键盘15。其中，DSP 3、FPGA模块4、D/A模块5、A/D模块6、滤波放大模块7、乘法器8和选通开关9构成探测信号处理电路，而单片机
10、LED报警灯11、存储器12、蜂鸣器13、液晶屏14和键盘15构成人机交互模块。FPGA模块4控制着整个系统的正常工作，实现DDS信号发生器的功能，主要用于控制产生发射信号与载波信号，发射信号送至发射线圈I。产生交变的电磁场，金属检测门门框中的接收线圈2采用的是差分绕法，发射线圈产生的磁场在两个差分连接的接收线圈中分别产生一个同频、反相、等幅的感应电动势，两者相消即形成接收平衡输出，该平衡输出(接收信号)经过乘法器8与FPGA模块4产生的载波信号进行调制，得到合成信号再经过放大滤波等处理后送入A/D模块5进行采样，经过A/D转换得到的数据送入到FPGA模块4中。DSP负责整个系统的数据处理工作，包括对经过A/D转换后送入到FPGA模块4中的信号进行处理、控制信号频率、滤波放大模块7的增益以及控制选通选择开关的输出、控制FPGA产生相应的发射信号与载波信号，并实时与人机交互模块的单片机进行通信。由于金属检测门实现的是多区域检测，因此其设有多个检测区域，分别用于检测目标的不同部位，每个检测区域设有独立的发射线圈和接收线圈。整个系统的具体连接结构如图1所示，接收线圈、乘法器8、滤波放大模块7、A/D模块5和FPGA模块4依次连接，FPGA模块4通过D/A模块6分别连接发射线圈I和乘法器8，DSP 3分别与人机交互模块的单片机10、FPGA模块4、滤波放大模块7以及选通开关9连接，选通开关9与各个接收线圈2连接，通过DSP的给出的选择信号，来使能各个检测区域对应的接收线圈进行信号的接收。LED报警灯11、存储器12、蜂鸣器13、液晶屏14和键盘15分别与单片机10连接，该单片机10通过MAX485串口连接DSP 3。DSP作为下位机负责实现单片机传送下来的指令，单片机为上位机负责实现人机交互，液晶屏用于显示中英文菜单，键盘用于参数输入，存储器用于存储参数，LED报警灯以及蜂鸣器用于产生报警信号。由于不同的检测分区对应独立的一组发射线圈和接收线圈，假设该金属检测门存在η组线圈，则通过选通开关对η组线圈进行选通，但是每一组线圈对应着相同一路数据处理电路，因此参数自动设定时，实际进行的是分时、分组的设定，分别对每一检测区域的参数进行单独设定，若有η组线圈，则对应的有η组参数数据。在本发明中FPGA模块的内部结构如图5所示，包括DSP通信单元41、A/D控制与数据采集单元42、D/A控制单元46、载波相位控制单元43、发射相位控制单元44和正弦波产生单元45，DSP通信单元41分别连接DSP 3、A/D控制与数据采集单元42、载波相位控制单元43、发射相位控制单元44和正弦波产生单元45，载波相位控制单元43和发射相位控制单元44分别与正弦波产生单元45连接，D/A控制单元46分别连接正弦波产生单元45和D/A模块6，A/D控制与数据采集单元42连接A/D模块5。其具体的工作原理为:A/D控制与数据采集单元接收来自A/D模块的数据，并将该数据通过DSP通信单元发送至DSP进行数据处理，处理得到的相位和频率信息由DSP通信单元接收，其中频率信息直接发送至正弦波产生单元，相位信息发送至载波载波相位控制单元和发射相位控制单元，由正弦波产生单元产生对应频率和相位的正弦波，通过D/A控制单元发送至D/A模块。在本发明中采用FPGA直接实现数字频率合成(DDS)，产生一个频率、相位均方便可调的正弦波，减少硬件电路的复杂度。直接数字频率合成器(DDS)的基本原理:DDS是利用采样定理，根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码，然后储存在EPROM中构成一个正弦查询表，通过查表法产生波形。DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。由于专用的DDS芯片的控制方式是固定的，故在工作方式、频率控制等方面与系统的要求差距很大，本课题采用高性能的FPGA器件设计符合自己需要的DDS电路就是一个很好的解决方法，它的可重配置性结构能方便的实现各种复杂的调制功能，具有很好的实用性和灵活性。DDS信号发生器的具体实现的基本原理如图3所示，由参考时钟、相位累加器、正弦查询表和数模转换器组成。查询表由ROM构成，内部存有一个完整周期正弦波的数字幅度信息，每个查询表的地址对应正弦波幅度信号。在参考时钟的时钟脉冲控制下，对输入频率控制字K进行累加，当累加到2n_1时产生溢出。相位累加器的输出对应于输出正弦波的相位，该相位是在O 2 π范围内变化。则最大值2Ν_1就对应着输出信号2 Ji的相位，在累加过程中，每一个累加的结果对应着正弦查询表里一个地址，该地址里的数值即为正弦信号的幅值，然后输出到数模转换器输入端，数模转换器输出的模拟信号经过低通滤波器，可以得到一个频谱纯净的正弦波。根据麦克斯韦电磁感应定律:变化的磁场要感应出电场；而电场变化时依然也会产生磁场。所以，相互影响的电场和磁场便成了统一的电磁场的两个不可分割的部分，称为时变电磁场。由于电磁感应，当导体处在变化的磁场中或是相对于磁场运动时，其内部会感应出电流，这些电流的特点是:在导体内部自成闭合回路，呈漩涡状流动，因此称之为涡旋电流，简称涡流。涡流检测是电磁检测的一向重要应用，其基本原理如图6所示，当线圈中通以正弦交变电流时，线圈的周围就产生正弦交变磁场H1置于磁场中的金属板中产生感应电动势，形成电涡流。涡流效应(与电导率σ有关)或磁效应(与磁导率μ有关)将产生一个附加磁场，破坏一次场的磁力线分布。非铁磁性金属μ r Kur为相对磁导率，u ^为真空磁导率)，σ较大，它包括顺磁体(如锰、铬、钛等)和抗磁体(如金、银、铜、锡、铅等)，可以认为是导电不导磁物质，主要产生涡流效应，磁效应忽略不计；铁磁性金属(如铁类、镍、钴等艮大，σ也较大，可以认为是既导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。金属目标通过磁效应与涡流效应所产生的二次场会使发射线圈中电流的大小和相位发生变化，也就是发射线圈的等效阻抗发生变化，由于金属探测门中接收线圈差动连接形成平衡，故忽略二次场对接收线圈等效阻抗的影响，可用发射线圈等效阻抗的变化来反映被测金属的涡流效应和磁效应，从而分析金属特性。本发明中用等效阻抗法分析金属目标对电磁感应信号幅度和相位的影响。若为非铁磁性金属目标，由于非铁磁性金属与发射线圈之间形成互感。根据电路知识:
权利要求
1.一种具有参数自动设定功能的金属探测门，包括发射线圈、接收线圈和探测信号处理电路和人机交互模块，其特征在于，所述的探测信号处理电路包括DSP、FPGA模块、D/A模块、A/D模块、滤波放大模块和乘法器，所述的接收线圈、乘法器、滤波放大模块、A/D模块和FPGA模块依次连接，所述的FPGA模块通过D/A模块分别连接发射线圈和乘法器，所述的DSP分别与人机交互模块、FPGA模块以及滤波放大模块连接； 金属探测门可通过探测信号处理电路进行检测参数的自动设定，该自动设定的具体过程为:FPGA模块作为DDS信号发生器产生发射信号和载波信号，发射信号通过D/A模块进行数模转换后由发射线圈进行发射，载波信号通过D/A模块进行数模转换后输入至乘法器；当检测目标通过时，接收线圈接收产生偏移的检测信号，与输入至乘法器的载波信号相乘得到合成信号，该合成信号依次经滤波放大模块和A/D模块后得到直流信号，输入至FPGA模块，由DSP进行数据处理，获取可以减少产品效应的信号相位值和滤波放大模块增益值，保存于人机交互模块内，DSP根据信号相位值控制FPGA产生载波信号和发射信号，根据滤波放大模块增益值调整滤波放大模块的增益。
2.根据权利要求1所述的一种具有参数自动设定功能的金属探测门，其特征在于，在进行自动设定时，所述的FPGA模块先后产生两个正交的载波信号，分别与接收线圈接收到的信号进行相乘，经滤波放大模块得到两个直流信号，所述的两个直流信号通过DSP进行比较后，将较大的直流信号经A/D模块输入至FPGA模块。
3.根据权利要求1所述的一种具有参数自动设定功能的金属探测门，其特征在于，DSP进行数据处理的具体过程为: 1)获取直流信号的幅值D，将该直流信号的幅值D与DSP预设的第一阈值Vl和第二阈值V2比较，其中，Vl > V2，若D < V2，则执行步骤2);若D > VI，则执行步骤5);若V2 < D< VI，则执行步骤6)； 2)将直流信号D与一个小于第二阈值V2的第三阈值V3进行比较，若D< V3，则执行步骤3);若V3 < D < V2 ，则执行步骤4)； 3)调节滤波放大模块的增益至最大值，再将直流信号D与第三阈值V3，若此时还存在D < V3，则将当前的增益值保存于存储器内，用于控制滤波放大模块，结束自动设定；若0 >V3，则返回步骤I)； 4)提高滤波放大模块的增益后返回步骤I)； 5)降低滤波放大模块的增益后返回步骤I)； 6)调节FPGA模块所输出信号的相位，直至直流信号达到极小值，同时保存当前信号相位值。
4.根据权利要求1所述的一种具有参数自动设定功能的金属探测门，其特征在于，所述的金属探测门设有多个检测区域，分别用于检测目标的不同部位，每个检测区域设有独立的发射线圈和接收线圈，所述的接收线圈通过选通开关与DSP连接，通过选通开关对各个接收线圈进行独立的开关控制。
5.根据权利要求1所述的一种具有参数自动设定功能的金属探测门，其特征在于，所述的人机交互模块包括单片机、LED报警灯、存储器、蜂鸣器、液晶屏和键盘，所述的LED报警灯、存储器、蜂鸣器、液晶屏和键盘分别与单片机连接，该单片机连接DSP。
6.根据权利要求5所述的一种具有参数自动设定功能的金属探测门，其特征在于，所述的单片机和DSP之间采用MAX485串口连接。
7.根据权利要求1所述的一种具有参数自动设定功能的金属探测门，其特征在于，所述的接收线圈的绕线方式采用差分绕法。
8.根据权利要求1所述的一种具有参数自动设定功能的金属探测门，其特征在于，所述的FPGA模块包括DSP通信单元、A/D控制与数据采集单元、D/A控制单元、载波相位控制单元、发射相位控制单元和正弦波产生单元，所述的DSP通信单元分别连接DSP、A/D控制与数据采集单元、载波相位控制单元、发射相位控制单元和正弦波产生单元，所述的载波相位控制单元和发射相位控制单元分别与正弦波产生单元连接，所述的D/A控制单元分别连接正弦波产生单元和D/A模块，所述的A/D控制与数据采集单元连接A/D模块； A/D控制与数据采集单元接收来自A/D模块的数据，并将该数据通过DSP通信单元发送至DSP进行数据处理，处理得到的相位和频率信息由DSP通信单元接收，其中频率信息直接发送至正弦波产生单元，相位信息发送至载波载波相位控制单元和发射相位控制单元，由正弦波产生单元产 生对应频率和相位的正弦波，通过D/A控制单元发送至D/A模块。
全文摘要
本发明涉及一种具有参数自动设定功能的金属探测门，包括发射线圈、接收线圈和探测信号处理电路和人机交互模块，所述的探测信号处理电路包括DSP、FPGA模块、D/A模块、A/D模块、滤波放大模块和乘法器，所述的接收线圈、乘法器、滤波放大模块、A/D模块和FPGA模块依次连接，所述的FPGA模块通过D/A模块分别连接发射线圈和乘法器，所述的DSP分别与人机交互模块、FPGA模块以及滤波放大模块连接。与现有技术相比，本发明自动设定载波信号或者发射信号的相位以及信号增益等信号参数，减小由于手工设定对检测精度的影响，方便使用。
文档编号G01V3/10GK103149594SQ201310015068
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者项安, 周茂林, 牟翔 申请人:同济大学