前 言
金属探测器因其功能和市场应用领域的不同，可分为以下几种：通道式金属探测器（又称：金属探测门；简称：安检门）、手持式金属探测器、便携式金属探测器、台式金属探测器、工业用金属探测器和水下金属探测器。本文所设计的金属探测器属于手持式金属探测器。金属探测器一般都是基于感应式的工作原理。
系统工作原理
LC振荡型金属探测器，属于主动式，通过探测金属感应电流产生的二次磁场来确定被测金属的有无。LC振荡型金属探测器的信号是频率信号，当感应到金属时，输出信号的频率会有一定的变化，通过捕捉该频率变化量可以判断此时是否有金属物体。这种类型的金属探测器应用比较广泛，也方便设计和改进。
如图1，参考通道的基准信号采用有源晶振来代替，选择32.768KHz的有源晶振进行32分频后得到1024Hz的频率，与接收通道的频率信号进行差频，将得到的频率差通过PLL进行倍频处理，就可以得到比较高的灵敏度，同时，频率信号的稳定度也比较好。
图1 采用基准频率进行差频
（2）基准频率电路
基准频率电路采用有源晶振进行分频得到，此处晶振选用频率为32.768KHz的5V供电的TTL电平，经过CD4060进行32分频后得到1.024KHz的基准信号。
（3）差频电路
感应信号与基准信号进行差频处理，得到差频信号，这个功能采用如下方法实现：两路信号作为异或门的两个输入端，异或门输出是包含着两种频率成分的信号，分别为感应信号与基准信号的和频分量与差频分量，通过对输出信号进行低通滤波，即得到所需要的差频分量。
当感应探头附近没有金属物体的时候，差频信号约为10Hz左右，为了提高信号的灵敏度，将差频率信号进行倍频处理。通过将差频信号经过PLL进行100倍频后，输出信号频率在1000Hz左右变化。
（4）频率测量电路
频率测量是本系统的核心部分之一，频率测量的方法有很多：测周期法主要针对低频的，脉冲计数法则主要针对高频的。因此，这两种方法在应用的过程中都有一定的局限性。本系统采用的是等精度测频：利用AVR单片机与CPLD相结合进行频率测量，具有测频精度高、范围宽的特点，并且测量的精度与待测信号无关，只与基准频率有关。
本系统中，AVR控制CPLD对待测信号与基准信号进行计数，并读取测量数据，对数据进行处理后，通过LCD进行显示。为了使用户操作本系统时更加的方便，编写了一个简单的菜单程序，通过3×5键盘对相应的菜单项进行操作，完成相应的功能。
频率测量一般都是由计数器和定时器完成，将两个定时／计数器一个设置为定时器，另一个设置为计数器，定时时间到后产生中断，在中断服务程序中处理结果，求出频率。这种方法虽然测量范围较宽，但由于存在软件延时，尽管在高频段能达到较高的精度，而低频段的测量精度较低。所以利用单片机测频时，如果选择不好的测量方法，可能会引起很大的误差。测量频率时，如果不是真正依靠硬件控制计数或定时，而是由软件查询或中断响应后再停止计数，虽然理论上能达到很高的精度，但实际测量中由于单片机响应有一定的时间延迟，难以做到精确测量。因此，本系统拟采用等精度测频发来实现频率测量。
等精度测频工作原理：
等精度频率测量用被测信号的多周期而不是单周期作门控信号；门控信号周期数可根据被测频率的大小自动调节，使计数值N保持不变，从而实现等精度测量。
预置门控信号是宽度为T的一个脉冲，Counterl和Counter2是两个可控计数器，标准频率信号从Counter1的时钟输入端CLK输入，其频率为Fs；经整形后的被测信号从Counter2的时钟输入端CLK输入，设其实际频率为Fxe，测量频率为Fx。
当预置门控信号为高电平时，经整形后的被测信号的上沿通过D触发器的Q端同时启动计数器Counter1和Counter2。Counter1、Counter2分别对被测信号(频率为Fx)和标准频率信号(频率为Fs)同时计数。当预置门信号为低电平时，随后而至的被测信号的上沿将使这两个计数器同时关闭，时序图如图3所示。设在一次预置门时间T中对被测信号计数值为Nx；对标准频率信号的计数值为Ns，则下式成立：
对于本系统而言，因为周围总是有着或多或少的电磁干扰，干扰信号很容易串入导致感应信号的频率有一定的波动（频率值波动大小在1Hz以内），因此，采用等精度测频的时候，只需要精度达到1Hz即可。
如图4所示是测频电路，采用AVR与CPLD这个组合来完成等精度测频功能，因为AVR是5V提供电压的，而CPLD则采用3.3V供电，所以AVR与CPLD进行通讯的时候需要进行电平转换。信号从AVR流向CPLD时需要在信号线路中串接200欧姆的电阻进行限流，信号从CPLD流向AVR时需要经过74HC245进行电平转化，提高信号的电平阀值。
