基于i.MX RT1052處理器的微小電容測量系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

侯志偉, 杜青青, 包理群

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730060；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

隨著新興技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，電容式傳感器檢測技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、動態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護、醫(yī)療設(shè)備等諸多相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域位移、壓力、角度、振動、速度等常見物理量的高精度測量[1]，例如藜麥水分快速檢測[2]、機油品質(zhì)[3]、密閉管道人體掉入探測[4]、肥箱料位[5]等。微小電容的檢測方法主要有直流電源開關(guān)充放電式、運算放大器式、交流激勵式、調(diào)頻式[6-8]等，將常見物理量的變化量轉(zhuǎn)化為微小電容的變化量，采用信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電流、電壓和頻率的變化量，其中電流和電壓信號可采用ADC轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)檢測，頻率信號可在時域中采用直接測頻法、間接測頻法及等精度測頻法，也可在頻域中采用FFT蝶形運算實現(xiàn)頻率測量。

對于電容式傳感器間接測量位移、壓力、速度等物理量的實際問題，本文設(shè)計了一種基于恩智浦i.MX RT1052處理器的微小電容測量系統(tǒng)，采用方波振蕩電路將電容的變化量轉(zhuǎn)換為頻率的變化量，被測電容調(diào)理電路輸出的信號經(jīng)過ADC采樣，利用快速傅里葉蝶形運算，計算最大幅度值對應(yīng)的主要頻率成分值，達到了微小電容值檢測的實際應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

微小電容測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

該微小電容測量系統(tǒng)主要由恩智浦i.MX RT1052處理器組成最小系統(tǒng)、被測電容信號調(diào)理電路、片內(nèi)ADC外部GPIO(General Purpose I/O Ports, 通用輸入/輸出端口)為接口、UART串口、TFT-LCD顯示、機械按鍵、SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動態(tài)隨機存儲器)、數(shù)據(jù)存儲器E2PROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,電可擦可編程只讀存儲器)、JTAG接口等構(gòu)成。其中，被測電容通過信號調(diào)理電路將電容的變化量轉(zhuǎn)換為頻率的變化量，其輸出信號連接至外部GPIO接口，采用定時器PIT(Periodic Interrupt Timer, 周期中斷計數(shù)/定時器)產(chǎn)生周期性觸發(fā)信號來實現(xiàn)設(shè)定采樣頻率，利用XBAR(one or more inter-peripheral crossbar switch, 一個或多個外設(shè)交錯開關(guān))連接到ADC_ETC(ADC External Trigger Control, ADC外部觸發(fā)控制)觸發(fā)請求輸入，采樣被測電容通過信號調(diào)理電路輸出電壓，利用快速傅里葉變換，計算最大幅度值對應(yīng)的主要頻率成分值，從而得出微小電容值。機械按鍵用來標定標稱電容，將標定值存放至數(shù)據(jù)存儲器E2PROM。UART接口用來打印程序運行過程信息，TFT-LCD顯示屏用來顯示電容值，JTAG接口用來調(diào)試、下載軟件程序。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

被測電容調(diào)理電路由方波振蕩電路、同相滯回比較電路和分壓電路構(gòu)成，如圖2所示。方波振蕩電路由反向輸入的滯回比較器和RC充放電回路組成，滯回比較器引入正反饋，RC充放電回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為負反饋網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)輸出狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。同相滯回比較電路采用正反饋截取方波振蕩電路的正半周，采用分壓電路輸出0～3.3V的方波信號。其中DZ1、DZ2為雙向穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓值為5～6V。

圖2 方波振蕩電路

當UO輸出為UZ時，UO通過R1、R2對Cin(為Cx和C1并聯(lián))充電，直到C上的電壓UC上升到門限電壓UT，輸出UO反轉(zhuǎn)為-UZ，電容Cin通過R1、R2放電，當Cin上的電壓UC下降到門限電壓-UT，輸出UO再次反轉(zhuǎn)為UZ，此過程周而復(fù)始輸出方波。

根據(jù)電容充放電過程，振蕩頻率計算如下：

式(1)中，Cin=C1+Cx。

為校準寄生電容和雜散電容的影響誤差，測量校準點0pF和47pF時的頻率值，記錄對應(yīng)的結(jié)果為f0和f47，則實際電容值可由下面的公式計算得到：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

本文微小電容測量系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化模塊、標稱電容標定模塊、ADC采樣模塊、SDRAM數(shù)據(jù)緩存模塊、按鍵模塊、TFT-LCD顯示模塊、E2PROM讀寫模塊，系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

電容校準模塊采用跳線短路帽接入標稱電容，按下按鍵將測量值存儲至E2PROM，TFT-LCD顯示模塊采用STemWin圖形界面庫。

3.2 ADC采樣程序設(shè)計

ADC采樣程序主要為ADC寄存器初始化，設(shè)置轉(zhuǎn)換通道號及啟動定時器PIT轉(zhuǎn)換。其中ADC采樣初始化主要為ADC模塊初始化、XBARA交錯開關(guān)配置、定時器PIT配置、ADC外部觸發(fā)控制的配置。i.MX RT1052處理器具有ADC的硬件求平均值、自動硬件校準功能，主要配置如下：

/* Initialize the ADC module. */

ADC_GetDefaultConfig(&k_adcConfig);

k_adcConfig.resolution = kADC_Resolution12Bit;

ADC_Init(IMXRT_ADC_BASE, &k_adcConfig);

ADC_EnableHardwareTrigger(IMXRT_ADC_BASE, true);

adcChannelConfigStruct.enableInterruptOnConversionCompleted = false;

ADC_SetChannelConfig(IMXRT_ADC_BASE, IMXRT_ADC_CHANNEL_GROUP, &adcChannelConfigStruct);

ADC_SetHardwareAverageConfig(IMXRT_ADC_BASE, kADC_HardwareAverageCount32);

/* Do auto hardware calibration. */

ADC_DoAutoCalibration(IMXRT_ADC_BASE) ;

/* Init xbara module. */

XBARA_Init(IMXRT_XBARA_BASE);

/* Configure the XBARA signal connections. */

XBARA_SetSignalsConnection(IMXRT_XBARA_BASE, IMXRT_XBARA_INPUT_PITCH0, IMXRT_XBARA_OUTPUT_ADC_ETC);

/* Init pit module */

PIT_GetDefaultConfig(&pitConfig);

PIT_Init(PIT, &pitConfig);

PIT_SetTimerPeriod(PIT, kPIT_Chnl_0, USEC_TO_COUNT(10U, PIT_SOURCE_CLOCK));

NVIC_SetPriority(ADC_ETC_IRQ0_IRQn, 2);

EnableIRQ(ADC_ETC_IRQ0_IRQn);

為了便于靈活轉(zhuǎn)換通道號，采用DC1HC0_ADCH設(shè)置需要轉(zhuǎn)換的通道，啟動定時器PIT開始轉(zhuǎn)換，設(shè)置如下：

// 數(shù)據(jù)緩存清0

memset((void *)p->ADC_BUF, 0, p->ADC_SIZE);

// 設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換通道

DC1HC0_ADCH = IMXRT_ADC1_IN12_CHNL;

// 啟動定時器PIT

PIT_StartTimer(PIT, kPIT_Chnl_0);

3.3 FFT算法程序設(shè)計

式(4)中，X(k)有N個點，以N為周期；X1(k)、X2(k)有N/2個點，以N/2為周期。

將式(4)寫為前半部分和后半部分，則為如下形式：

按時間抽取DFT，以奇偶序列逐級分解，得出N點FFT運算蝶形流圖，如圖4所示。

圖4 N=8點FFT運算蝶形流圖

圖4中，蝶形運算符左邊兩路為輸入，右邊兩路為輸出，中間以一個小圓點表示加、減運算，其中右上路為相加后輸出、左下路為相減后輸出，1個蝶形運算需1次復(fù)乘，2次復(fù)加。

從FFT運算蝶形流圖可找出碼位順序、旋轉(zhuǎn)因子、蝶形間距的變化規(guī)律，設(shè)序列x(n)經(jīng)時域抽選(倒序)后，存入數(shù)組X中，若蝶形運算的兩個輸入數(shù)據(jù)相距B(B=2L-1)個點，則蝶形運算可表示成如下形式：

式(6)中,p=J·2M-L，J=0，1，…，2L-1-1，L=1，2，…，M，L表示第L級運算，為同一旋轉(zhuǎn)因子p=J·2M-L的蝶形間距，XL(J)表示第L級運算后數(shù)組元素X(J)的值。

DIT-FFT運算流程如圖5所示。

圖5 FFT算法流程圖

圖5中，輸入自然順序序列x(n)，以倒位序規(guī)律進行碼位倒序處理輸出自然序，確定運算的級數(shù)L=1，2，…，M(N=2M)，蝶形兩個輸入數(shù)據(jù)的間距為B=2L-1，第L級旋轉(zhuǎn)因子指數(shù)為p=J·2M-L，其中J=0，1，…，B-1。同一旋轉(zhuǎn)因子，同一級2M-L個蝶形運算中k的取值范圍從J到N-1，步長值為2L。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

采用反向輸入的滯回比較器和RC回路組成的方波振蕩電路，將電容的變化量轉(zhuǎn)換為頻率的變化量，被測電容調(diào)理電路輸出的信號經(jīng)過恩智浦i.MX RT1052處理器片內(nèi)ADC采樣16*1024個點，將ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)利用快速傅里葉蝶形運算，計算最大幅度值對應(yīng)的主要頻率成分值，從而得出微小電容值，其實驗測量結(jié)果如表1所示。

表1 實驗測量結(jié)果

從表1可以得出，該微小電容測量系統(tǒng)的最大測量誤差為0.46pF。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于恩智浦i.MX RT1052處理器的微小電容測量系統(tǒng)，并將該技術(shù)方案多次反復(fù)測試，實驗結(jié)果表明，該微小電容測量系統(tǒng)的最大測量誤差為0.46pF，具有抗干擾強、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，能夠有效滿足微小電容值檢測的實際應(yīng)用需求，具有較高的實用價值和較好的應(yīng)用前景。