摘要：針對(duì)電容式傳感器研發(fā)過程中缺乏有效的微小電容檢測(cè)儀器的問題，設(shè)計(jì)了一種基于電容檢測(cè)芯片MS31lO的電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及單片機(jī)和上位機(jī)部分的軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)精度進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果證明，該系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度。
引言
電容式傳感器一般是將被測(cè)量的變化量轉(zhuǎn)換為電容量的變化。目前，基于這種原理的各種類型的傳感器已在測(cè)量加速度、液位、幾何孔徑等方面得到了廣泛的應(yīng)用。但以電容為變化量的傳感器(尤其是MEMS傳感器)，其電容變化范同往往只有幾個(gè)pF，甚至幾個(gè)fF。這便對(duì)電容檢測(cè)的精度提出了很高的要求，尤其是在傳感器的研發(fā)過程中，往往需要極高精度的電容檢測(cè)設(shè)備對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試與調(diào)校。但是一直以來國內(nèi)外都缺乏能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的專用儀器，普遍的做法是針對(duì)所研發(fā)的傳感器自行設(shè)計(jì)、制做專門的電容檢測(cè)電路，這無疑增加了傳感器設(shè)計(jì)的難度與工作量。針對(duì)這一問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了通用的電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并可以通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)等功能。
1 總體設(shè)計(jì)
電容式傳感器的檢測(cè)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(cè)量等原理實(shí)現(xiàn)測(cè)量；使用通用電容檢測(cè)芯片將電容轉(zhuǎn)換為電壓或其他量等。從技術(shù)難度、測(cè)量精度等多方面考慮，本系統(tǒng)采用集成電容檢測(cè)芯片來完成對(duì)電容式傳感器的檢測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電容檢測(cè)芯片選用Irvine Sensor公司的MS3110。MS3110將電容量轉(zhuǎn)換為電壓量輸出(量程為0～10 pF)。單片機(jī)MSP430F149集成的12位A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并通過I／O端口對(duì)MS3110內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)經(jīng)采樣后通過串口傳送到上位機(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)
2．1 MS3110簡(jiǎn)介及寄存器設(shè)置
MS3110是Irvine Sensor公司生產(chǎn)的具有極低噪聲的通用電容檢測(cè)芯片。它采用CMOS工藝，工作電壓為+5 V，測(cè)量靈敏度為，集成的補(bǔ)償電容等參數(shù)均可以通過寄存器控制。其基本測(cè)量原理為：對(duì)被測(cè)電容與參考電容同時(shí)以相反時(shí)序充放電，通過電流積分、低通濾波、放大等將被測(cè)電容與參考電容差值轉(zhuǎn)換為電壓輸出。MS3110內(nèi)含一個(gè)60位的寄存器和100位的EEPROM。可通過單片機(jī)MSP430F149的I／0口對(duì)其EEFROM編程，或使MS3110工作在測(cè)試狀態(tài)直接對(duì)寄存器進(jìn)行編程。通過這些設(shè)置可對(duì)MS3110內(nèi)部各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)。
MS3110原理框圖如圖2所示。MS3110主要由電容補(bǔ)償電路、電荷積分電路、低通濾波器以及運(yùn)算放大器組成。
其中，CSlIN、CS2IN為被檢測(cè)電容，CSl、CS2為MS3110內(nèi)部的可調(diào)電容。通過對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，CS1可在O～1．197 pF范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，CS2可在0～9．709pF范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。CF為電荷積分器的積分電容，可在O～19．437 pF范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。以上3個(gè)可調(diào)節(jié)電容的調(diào)節(jié)步進(jìn)均為19 fF。低通濾波器的帶寬可在O．5～8 kHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可調(diào)增益GAIN可選擇2或4。
另外，參考電壓VREF、空載輸出電壓Vout等也可以通過寄存器進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。其空載輸出電壓的計(jì)算公式如下：
Vout=GAIN×V2P25×1．14×(CS2T-CS1T)／CF+VREF (1)
式中：CSlT=CS1IN+CSl，CS2T=CS2IN+CS2；本系統(tǒng)中可調(diào)整的內(nèi)部增益GAIN取2；V2P25為芯片參考電壓輸出，默認(rèn)值為2．25 V；參考電壓VREF可選O．5 V與2．5 V兩個(gè)值，本系統(tǒng)中選取O．5 V。由于燒寫EEPROM需要額外的16 V電壓，本系統(tǒng)中將TEST引腳拉低使芯片處于測(cè)試狀態(tài)，通過I／O即可直接更改其寄存器。由于掉電后寄存器數(shù)據(jù)將丟失，所以每次上電后都需要對(duì)所有的寄存器進(jìn)行初始化。需要特別指出的是，MS3110數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的寫寄存器時(shí)序圖中，將數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘SCLK周期標(biāo)為固定值2μs。在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，周期大于2μs時(shí)均可成功設(shè)置。
2．2 MSP430F149簡(jiǎn)介及通信接口設(shè)計(jì)
系統(tǒng)使用MSP430F149集成的12位A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。MSP430F149在1 MHz的時(shí)鐘頻率下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流在200～400μA左右；在等待方式下，耗電僅為O．7μA；在節(jié)電方式下，電流最低可達(dá)0．1 μA。集成的12位A／D轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200 kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。
MSP430F149集成的A／D轉(zhuǎn)換器可采用內(nèi)部2．5 V參考電壓或外部參考電壓，但其內(nèi)部參考電壓準(zhǔn)確性較差，在本系統(tǒng)中將MS3110的2．25 V參考電壓輸出作為A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。低功耗單片機(jī)與集成A／D轉(zhuǎn)換器的采用保證了系統(tǒng)擁有較低的功耗。
與上位機(jī)的通信接口采用MSP430F149集成的串行接口，通過MAX3232芯片轉(zhuǎn)換為三線RS232接口與計(jì)算機(jī)串口直接相連。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括單片機(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)
采用IAR Assembler for MSP430集成開發(fā)環(huán)境，使用C語言編寫了單片機(jī)部分的程序，主要包括系統(tǒng)初始化、測(cè)量芯片寄存器初始化、測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸?shù)取纹瑱C(jī)軟件流程如圖3所示。
單片機(jī)初始化包括單片機(jī)I／O初始化、串行口參數(shù)初始化、A／D轉(zhuǎn)換器初始化，以及與上位機(jī)通信接收系統(tǒng)參數(shù)等。MS31lO初始化是通過單片機(jī)I／O對(duì)MS3110內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化，包括參考電容值、可調(diào)增益、初始電壓等參數(shù)。采樣開始后，單片機(jī)按照設(shè)定采樣率進(jìn)行采樣；采樣結(jié)束后，將數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理、顯示與存儲(chǔ)。
3．2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
采用VC++6．0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)軟件界面如圖4所示。
4 精度測(cè)試與分析
進(jìn)行測(cè)試前，首先應(yīng)對(duì)電路的初始輸出進(jìn)行校準(zhǔn)。方法如下：將CSl、CS2設(shè)置為O，使用用高精度電壓表對(duì)MS3110芯片輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，輸出為O．497 192 V，將式(1)中的VREF修正為0．497192 V。
在電路板CS2IN位置上焊接一個(gè)1．8 pF多層陶瓷電容，用于模擬外部電容式傳感器；芯片內(nèi)部可調(diào)電容CS2由O逐步步進(jìn)到342 fF，以模擬傳感器電容的變化，步進(jìn)值為19 fF。具體寄存器參數(shù)設(shè)置如下：CSl設(shè)為O，為CF設(shè)9．728 pF，可調(diào)增益GAIN設(shè)置為2，V2P25設(shè)為2．25 V，其他參數(shù)均取手冊(cè)推薦值。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)CS2取O時(shí)，測(cè)量值為1．960 021 pF。與電容標(biāo)稱值的差異主要是由電容本身容差與電路的分步電容引起的。由式(1)可得：
CS2=(Vout-VREF)CF／(GAIN×V2P25×1．14) (2)
代入具體數(shù)值可得：
CS2=(Vout-0．497 192)×9．728／5．13 (3)
其中，Vout=(A／D采樣值／4 095)×2．25。精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列(實(shí)測(cè)容值為10次測(cè)量的均值)。
測(cè)試結(jié)果表明，該電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度，平均誤差僅為0．879 fF，最大絕對(duì)誤差小于1．6 fF。由于MSP430F149集成的A／D轉(zhuǎn)換器為12位，當(dāng)CF取9．728 pF時(shí)，系統(tǒng)對(duì)電容的分辨率只有1．042fF。可見，A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率是制約檢測(cè)精度的重要因素。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，可考慮采用更高位數(shù)的A／D轉(zhuǎn)換器。
結(jié)語
本文基于電容檢測(cè)芯片MS3110設(shè)計(jì)了一款電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，給出了設(shè)計(jì)要點(diǎn)和需要注意的問題。該系統(tǒng)具有較高的測(cè)試精度，可用于電容式傳感器檢測(cè)與研發(fā)。
