基于PCAP01的高精度電容測量

付潔+趙晴+楊凱文+劉書萌

摘 要：電容測量技術(shù)在電子產(chǎn)品制造和維修中有著重要的意義及廣泛的應(yīng)用，文中提出了基于PCAP01單芯片方案的電容檢測系統(tǒng)，給出了以單片機MSP430F149為核心的高精度電容測量系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)高精度的電容測量。

關(guān)鍵詞：電容測量；PCAP01；MSP430F149

中圖分類號：TP368 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0027-03

0 引 言

對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，難以擴展的電容測量范圍，都會給開發(fā)帶來非常大的阻力。針對這一問題，我們設(shè)計了以帶有內(nèi)部DSP單片機的PCAP01為電容測量芯片的檢測系統(tǒng)，該芯片會使電容測量提高到一個前所未有的水平。

1 總體設(shè)計

電容式傳感器的檢測方法主要有：設(shè)計專用ASIC芯片；使用分立元件通過電容橋、頻率測量等原理實現(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[1]；新型的微弱電容測量電路等[2]。從技術(shù)難度、測量精度等多方面考慮[3]，本系統(tǒng)采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換單芯片來完成對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[4]。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MSP430F149通過I/O端口對PCAP01內(nèi)部寄存器進行配置，其通信方式為SPI串行通信。測量數(shù)據(jù)最終通過RS232串口傳送到上位機進行處理、實時顯示、存儲等。上位機由普通微機構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 MSP430F149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、時鐘電路、復(fù)位電路、通信接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路。單片機MSP430F149的特點有：低功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式、多種存儲器形式、適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境等?；贛SP430F149的通信接口電路原理圖如圖2所示。

2.2 PCAP01簡介及硬件原理圖

PCAP01為帶有單片機處理單元的一款專門進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uA）的測量，也適合高精度（達到21位有效位）的高性能測量，還可以進行最高達50萬次/秒的快速測量。這顆芯片提供了對于高精度測量、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)部進行現(xiàn)行校準，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。其余的IO口可以作為中斷管腳，水平報警信號管腳或者普通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個傳感器P1、P2、P3和一個參考電容，輸出的方式為SPI串行通信方式，整體電路設(shè)計簡單，所需元器件數(shù)量比較少。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分為單片機軟件與上位機軟件兩部分。

3.1 單片機軟件設(shè)計

我們采用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。

圖4 測量基本流程

首先，單片機接收RS232發(fā)送來的指令就開始執(zhí)行，接下來將標準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值，之后進行數(shù)據(jù)處理獲得實際值并存儲顯示，其中，PCAP01芯片開始測量電容的具體實現(xiàn)代碼如下：

void StartPCap01（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100 ms

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 上位機軟件設(shè)計

采用VS2008軟件和C#語言編寫系統(tǒng)的上位機軟件。軟件功能主要包括設(shè)置參數(shù)，與下位機通信，數(shù)據(jù)實時圖形化顯示、存儲和讀取等。上位機軟件界面設(shè)計如圖5所示，測量效果顯示的精度能夠達到pF級。

圖5 上位機軟件界面

4 精度測試分析

在電容測量當中，導線的寄生電容對于整個測量的影響是不能忽略的。尤其當導線較長的情況下，導線寄生電容的影響會對測量結(jié)果有致命的影響。在PCAP01當中，可以對傳感器的導線寄生電容進行有效補償。對于高穩(wěn)定性高精度的測量，我們使用連接傳感器為漂移模式，來進行完全補償。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)計變得更加簡單[5]，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償方式的固件如線性補償，不僅僅提升了電路測量的水平，同時也進一步提高了傳感器本身的測量性能，使得測量精度達到較高水準。

參 考 文 獻

[1] 佘生能，孫士平.電容傳感器新型電容測量電路設(shè)計[J].中國測試技術(shù)，2005，31（5）：42-43.

[2] 王雷，王保良，冀海峰，等.電容傳感器新型微弱電容測量電路[J].傳感技術(shù)學報，2002（4）：273-277.

[3] TDK. Capacitance Measurement： measurement tips for high capacitance MLCC's [M]. Tokyo： TDK， 2000.

[4] 朱登科.單芯片電容測量方案PCAP01原理[EB/OL].[2011-12-14]. http：//www.eeworld.com.cn/dygl/2011/1214/article_9314.html.

[5] 電子發(fā)燒友網(wǎng). 基于電容檢測芯片MS3110的電容式傳感器檢測系統(tǒng)[EB/OL].[2010-08-28].http：//www.elecfans.com/article/88/142/2010/20100828222412.html.

摘 要：電容測量技術(shù)在電子產(chǎn)品制造和維修中有著重要的意義及廣泛的應(yīng)用，文中提出了基于PCAP01單芯片方案的電容檢測系統(tǒng)，給出了以單片機MSP430F149為核心的高精度電容測量系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)高精度的電容測量。

關(guān)鍵詞：電容測量；PCAP01；MSP430F149

中圖分類號：TP368 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0027-03

0 引 言

對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，難以擴展的電容測量范圍，都會給開發(fā)帶來非常大的阻力。針對這一問題，我們設(shè)計了以帶有內(nèi)部DSP單片機的PCAP01為電容測量芯片的檢測系統(tǒng)，該芯片會使電容測量提高到一個前所未有的水平。

1 總體設(shè)計

電容式傳感器的檢測方法主要有：設(shè)計專用ASIC芯片；使用分立元件通過電容橋、頻率測量等原理實現(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[1]；新型的微弱電容測量電路等[2]。從技術(shù)難度、測量精度等多方面考慮[3]，本系統(tǒng)采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換單芯片來完成對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[4]。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MSP430F149通過I/O端口對PCAP01內(nèi)部寄存器進行配置，其通信方式為SPI串行通信。測量數(shù)據(jù)最終通過RS232串口傳送到上位機進行處理、實時顯示、存儲等。上位機由普通微機構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 MSP430F149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、時鐘電路、復(fù)位電路、通信接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路。單片機MSP430F149的特點有：低功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式、多種存儲器形式、適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境等?；贛SP430F149的通信接口電路原理圖如圖2所示。

2.2 PCAP01簡介及硬件原理圖

PCAP01為帶有單片機處理單元的一款專門進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uA）的測量，也適合高精度（達到21位有效位）的高性能測量，還可以進行最高達50萬次/秒的快速測量。這顆芯片提供了對于高精度測量、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)部進行現(xiàn)行校準，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。其余的IO口可以作為中斷管腳，水平報警信號管腳或者普通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個傳感器P1、P2、P3和一個參考電容，輸出的方式為SPI串行通信方式，整體電路設(shè)計簡單，所需元器件數(shù)量比較少。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分為單片機軟件與上位機軟件兩部分。

3.1 單片機軟件設(shè)計

我們采用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。

圖4 測量基本流程

首先，單片機接收RS232發(fā)送來的指令就開始執(zhí)行，接下來將標準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值，之后進行數(shù)據(jù)處理獲得實際值并存儲顯示，其中，PCAP01芯片開始測量電容的具體實現(xiàn)代碼如下：

void StartPCap01（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100 ms

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 上位機軟件設(shè)計

采用VS2008軟件和C#語言編寫系統(tǒng)的上位機軟件。軟件功能主要包括設(shè)置參數(shù)，與下位機通信，數(shù)據(jù)實時圖形化顯示、存儲和讀取等。上位機軟件界面設(shè)計如圖5所示，測量效果顯示的精度能夠達到pF級。

圖5 上位機軟件界面

4 精度測試分析

在電容測量當中，導線的寄生電容對于整個測量的影響是不能忽略的。尤其當導線較長的情況下，導線寄生電容的影響會對測量結(jié)果有致命的影響。在PCAP01當中，可以對傳感器的導線寄生電容進行有效補償。對于高穩(wěn)定性高精度的測量，我們使用連接傳感器為漂移模式，來進行完全補償。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)計變得更加簡單[5]，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償方式的固件如線性補償，不僅僅提升了電路測量的水平，同時也進一步提高了傳感器本身的測量性能，使得測量精度達到較高水準。

參 考 文 獻

[1] 佘生能，孫士平.電容傳感器新型電容測量電路設(shè)計[J].中國測試技術(shù)，2005，31（5）：42-43.

[2] 王雷，王保良，冀海峰，等.電容傳感器新型微弱電容測量電路[J].傳感技術(shù)學報，2002（4）：273-277.

[3] TDK. Capacitance Measurement： measurement tips for high capacitance MLCC's [M]. Tokyo： TDK， 2000.

[4] 朱登科.單芯片電容測量方案PCAP01原理[EB/OL].[2011-12-14]. http：//www.eeworld.com.cn/dygl/2011/1214/article_9314.html.

[5] 電子發(fā)燒友網(wǎng). 基于電容檢測芯片MS3110的電容式傳感器檢測系統(tǒng)[EB/OL].[2010-08-28].http：//www.elecfans.com/article/88/142/2010/20100828222412.html.

摘 要：電容測量技術(shù)在電子產(chǎn)品制造和維修中有著重要的意義及廣泛的應(yīng)用，文中提出了基于PCAP01單芯片方案的電容檢測系統(tǒng)，給出了以單片機MSP430F149為核心的高精度電容測量系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)高精度的電容測量。

關(guān)鍵詞：電容測量；PCAP01；MSP430F149

中圖分類號：TP368 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0027-03

0 引 言

對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，難以擴展的電容測量范圍，都會給開發(fā)帶來非常大的阻力。針對這一問題，我們設(shè)計了以帶有內(nèi)部DSP單片機的PCAP01為電容測量芯片的檢測系統(tǒng)，該芯片會使電容測量提高到一個前所未有的水平。

1 總體設(shè)計

電容式傳感器的檢測方法主要有：設(shè)計專用ASIC芯片；使用分立元件通過電容橋、頻率測量等原理實現(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[1]；新型的微弱電容測量電路等[2]。從技術(shù)難度、測量精度等多方面考慮[3]，本系統(tǒng)采用電容數(shù)字轉(zhuǎn)換單芯片來完成對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[4]。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MSP430F149通過I/O端口對PCAP01內(nèi)部寄存器進行配置，其通信方式為SPI串行通信。測量數(shù)據(jù)最終通過RS232串口傳送到上位機進行處理、實時顯示、存儲等。上位機由普通微機構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 MSP430F149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、時鐘電路、復(fù)位電路、通信接口電路、數(shù)據(jù)存儲電路。單片機MSP430F149的特點有：低功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式、多種存儲器形式、適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境等?；贛SP430F149的通信接口電路原理圖如圖2所示。

2.2 PCAP01簡介及硬件原理圖

PCAP01為帶有單片機處理單元的一款專門進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uA）的測量，也適合高精度（達到21位有效位）的高性能測量，還可以進行最高達50萬次/秒的快速測量。這顆芯片提供了對于高精度測量、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)部進行現(xiàn)行校準，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。其余的IO口可以作為中斷管腳，水平報警信號管腳或者普通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個傳感器P1、P2、P3和一個參考電容，輸出的方式為SPI串行通信方式，整體電路設(shè)計簡單，所需元器件數(shù)量比較少。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分為單片機軟件與上位機軟件兩部分。

3.1 單片機軟件設(shè)計

我們采用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)取Ｆ浠玖鞒倘鐖D4所示。

圖4 測量基本流程

首先，單片機接收RS232發(fā)送來的指令就開始執(zhí)行，接下來將標準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值，之后進行數(shù)據(jù)處理獲得實際值并存儲顯示，其中，PCAP01芯片開始測量電容的具體實現(xiàn)代碼如下：

void StartPCap01（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100 ms

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 上位機軟件設(shè)計

采用VS2008軟件和C#語言編寫系統(tǒng)的上位機軟件。軟件功能主要包括設(shè)置參數(shù)，與下位機通信，數(shù)據(jù)實時圖形化顯示、存儲和讀取等。上位機軟件界面設(shè)計如圖5所示，測量效果顯示的精度能夠達到pF級。

圖5 上位機軟件界面

4 精度測試分析

在電容測量當中，導線的寄生電容對于整個測量的影響是不能忽略的。尤其當導線較長的情況下，導線寄生電容的影響會對測量結(jié)果有致命的影響。在PCAP01當中，可以對傳感器的導線寄生電容進行有效補償。對于高穩(wěn)定性高精度的測量，我們使用連接傳感器為漂移模式，來進行完全補償。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)計變得更加簡單[5]，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償方式的固件如線性補償，不僅僅提升了電路測量的水平，同時也進一步提高了傳感器本身的測量性能，使得測量精度達到較高水準。

參 考 文 獻

[1] 佘生能，孫士平.電容傳感器新型電容測量電路設(shè)計[J].中國測試技術(shù)，2005，31（5）：42-43.

[2] 王雷，王保良，冀海峰，等.電容傳感器新型微弱電容測量電路[J].傳感技術(shù)學報，2002（4）：273-277.

[3] TDK. Capacitance Measurement： measurement tips for high capacitance MLCC's [M]. Tokyo： TDK， 2000.

[4] 朱登科.單芯片電容測量方案PCAP01原理[EB/OL].[2011-12-14]. http：//www.eeworld.com.cn/dygl/2011/1214/article_9314.html.

[5] 電子發(fā)燒友網(wǎng). 基于電容檢測芯片MS3110的電容式傳感器檢測系統(tǒng)[EB/OL].[2010-08-28].http：//www.elecfans.com/article/88/142/2010/20100828222412.html.