引言

對(duì)于電容傳感器的測量來說，傳統(tǒng)的電路方式有其無法克服的局限性。復(fù)雜的模擬電路設(shè)計(jì)，難以擴(kuò)展的電容測量范圍，都會(huì)給開發(fā)帶來非常大的阻力。針對(duì)這一問題，我們設(shè)計(jì)了以帶有內(nèi)部DSP單片機(jī)的PCAP01為電容測量芯片的檢測系統(tǒng)，該芯片會(huì)使電容測量提高到一個(gè)前所未有的水平。

1總體設(shè)計(jì)

電容式傳感器的檢測方法主要有：設(shè)計(jì)專用ASIC芯片；使用分立元件通過電容橋、頻率測量等原理實(shí)現(xiàn)測量；使用通用電容檢測芯片將電容轉(zhuǎn)換為電壓或其他量；新型的微弱電容測量電路等。從技術(shù)難度、測量精度等多方面考慮，本系統(tǒng)采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換單芯片來完成對(duì)電容式傳感器的檢測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電容測量芯片選用德國ACAM公司的單芯片PCAP01。這顆芯片測量范圍覆蓋了從幾fF到幾百nF，而且可以非常簡單地通過配置來滿足各種不同應(yīng)用的需求。單片機(jī)MSP430F149通過I/O端口對(duì)PCAP01內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，其通信方式為SPI串行通信。測量數(shù)據(jù)最終通過RS232串口傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)等。上位機(jī)由普通微機(jī)構(gòu)成。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1MSP430F149簡介

最小系統(tǒng)是由保證處理器可靠工作所必須的基本電路組成的，主要包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、通信接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路。單片機(jī)MSP430F149的特點(diǎn)有：低功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式、多種存儲(chǔ)器形式、適應(yīng)工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境等?；贛SP430F149的通信接口電路原理圖如圖2所示。

2.2PCAP01簡介及硬件原理圖

PCAP01為帶有單片機(jī)處理單元的一款專門進(jìn)行電容測量的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換單芯片方案。PCAP01既適合超低功耗（最低至幾個(gè)uA）的測量，也適合高精度（達(dá)到21位有效位）的高性能測量，還可以進(jìn)行最高達(dá)50萬次/秒的快速測量。這顆芯片提供了對(duì)于高精度測量、低功耗測量以及快速測量應(yīng)用的完美結(jié)合。傳感器數(shù)據(jù)可以在芯片內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)行校準(zhǔn)，然后通過SPI或者I2C數(shù)據(jù)串行接口傳送。另外，芯片還可以通過IO口來發(fā)送PWM/PDM輸出電壓信號(hào)。其余的IO口可以作為中斷管腳，水平報(bào)警信號(hào)管腳或者普通IO口來應(yīng)用。

PCAP01的具體硬件原理圖如圖3所示，本方案采用單一傳感器漂移模式，最多可接3個(gè)傳感器P1、P2、P3和一個(gè)參考電容，輸出的方式為SPI串行通信方式，整體電路設(shè)計(jì)簡單,所需元器件數(shù)量比較少。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為單片機(jī)軟件與上位機(jī)軟件兩部分。

3.1單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

我們采用IARAssemblerforMSP430集成開發(fā)環(huán)境，使用C語言編寫了單片機(jī)部分的開發(fā)程序，主要包括系統(tǒng)初始化、測量芯片寄存器初始化、測量與數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。其基本流程如圖4所示。

首先，單片機(jī)接收RS232發(fā)送來的指令就開始執(zhí)行，接下來將標(biāo)準(zhǔn)固件和配置信息分別寫到PCAP01芯片的RAM和寄存器中，然后開始測量，并返回測量獲得的相對(duì)值，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得實(shí)際值并存儲(chǔ)顯示，其中，PCAP01芯片開始測量電容的具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

voidStartPCap01(void)

{

SendSPI8(0x8A)；

//SendSPI8函數(shù)功能是為SPI端口

發(fā)送8位數(shù)據(jù)

//部分復(fù)位命令

SendSPI8(0x8C)；

//開始測量命令

delayMS(5)；

//等待100ms

Reg8=ReadRegSPI(8)；

//ReadRegSPI函數(shù)功能是讀取

SPI端口接收的數(shù)據(jù)

//讀取狀態(tài)寄存器8

if((Reg8==0x100000)|(Reg8==0x900000))

{

Reg1=ReadRegSPI(0x1)；

//讀取結(jié)果寄存器1

Reg2=ReadRegSPI(0x2)；

//讀取結(jié)果寄存器2

Flag_BoardR_PCAP=1；

SDat[0]=0xCC；

//SDat為指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)

SDat[1]=Reg1>>16&0xFF；

SDat[2]=Reg1>>8&0xFF；

SDat[3]=Reg1&0xFF；

SDat[4]=Reg2>>16&0xFF；

SDat[5]=Reg2>>8&0xFF；

SDat[6]=Reg2&0xFF；

SendLen=7；

}

else

{

Flag_BoardR_PCAP=0；

Reg1=0；

}

}

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

采用VS2008軟件和C#語言編寫系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。軟件功能主要包括設(shè)置參數(shù)，與下位機(jī)通信，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖形化顯示、存儲(chǔ)和讀取等。上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)如圖5所示，測量效果顯示的精度能夠達(dá)到pF級(jí)。

圖5上位機(jī)軟件界面

4精度測試分析

在電容測量當(dāng)中，導(dǎo)線的寄生電容對(duì)于整個(gè)測量的影響是不能忽略的。尤其當(dāng)導(dǎo)線較長的情況下，導(dǎo)線寄生電容的影響會(huì)對(duì)測量結(jié)果有致命的影響。在PCAP01當(dāng)中，可以對(duì)傳感器的導(dǎo)線寄生電容進(jìn)行有效補(bǔ)償。對(duì)于高穩(wěn)定性高精度的測量，我們使用連接傳感器為漂移模式，來進(jìn)行完全補(bǔ)償。測試結(jié)果表明，該電容式傳感器檢測系統(tǒng)具有較高的檢測精度。

5結(jié)語

綜上所述，PCAP01單芯片方案使整體設(shè)計(jì)變得更加簡單，電容測量性能更加優(yōu)越和可靠，革新的單芯片電路以及可以自由選擇的帶有不同補(bǔ)償方式的固件如線性補(bǔ)償，不僅僅提升了電路測量的水平，同時(shí)也進(jìn)一步提高了傳感器本身的測量性能，使得測量精度達(dá)到較高水準(zhǔn)。

20211118_619648c0923b3__基于PCAP01的高精度電容測量