戴麗霞，馬鐵華，劉雙峰

（中北大學(xué) 儀 器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太 原 0 30051）

電容式傳感器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)城。但目前大部分電容測量方法集成化水平低、精度低，因而對(duì)電容特別是對(duì)微小電容的精確測量始終是一個(gè)很重要的內(nèi)容。振蕩法電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力差，板間內(nèi)電容影響測量結(jié)果[1]；電橋法利用電橋平衡原理測量電容，測量結(jié)果受橋臂電容性能影響較大[1]。本文用到美國Microchip公司PIC16LF874單片機(jī)，該單片機(jī)采用RISC精簡指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)、流水線指令方式，具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、高性能、價(jià)格低等特性。

1 PIC16LF874單片機(jī)

PIC16系列單片機(jī)采用精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)單片機(jī)對(duì)PC機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在的自然依賴性；加上哈佛總線的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、兩級(jí)流水線指令結(jié)構(gòu)、單周期指令等技術(shù)，從而在單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)上獨(dú)辟蹊徑，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率。除此之外，針對(duì)單片機(jī)機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn)，從功耗、驅(qū)動(dòng)能力、外圍模塊設(shè)計(jì)等方面，PIC單片機(jī)也有一些獨(dú)到之處，從而使得PIC成為一款方便實(shí)用的高性價(jià)比的單片機(jī)[2]。

PIC16LF874系列單片機(jī)包括一系列不同型號(hào)的器件。主要特點(diǎn)有：

1）精簡指令集技術(shù)PIC指令系統(tǒng)是專門根據(jù)小型機(jī)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，力求每一條指令達(dá)到更高的效率，減少指令功能的重復(fù)。高中低檔的門PIC單片機(jī)指令數(shù)分別為58條、35條和33條。這就帶來了兩方面的好處，一方面可以使代碼的利用率大大提高，有利于提高執(zhí)行速度，另一方面給用戶學(xué)習(xí)、記憶和應(yīng)用帶來了極大的好處，編程和調(diào)試相對(duì)就更加容易，而且同樣的功能所需的編碼減少，節(jié)約了開發(fā)時(shí)間。

2）哈佛（Harvard）總線結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，即兩者位于不同的物理空間。PIC系列單片機(jī)不僅采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，而且采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮了哈佛結(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)勢，大大提升了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和數(shù)據(jù)可靠性。

3）單字節(jié)指令單字節(jié)指令對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)是革新性的變化。高中低檔的PIC單片機(jī)的指令位數(shù)分別為16位、14位、12位。ROM和RAM的尋址相對(duì)獨(dú)立，所有的指令實(shí)現(xiàn)了單字節(jié)化，不僅使數(shù)據(jù)的存取更加安全，其運(yùn)行速度也得到了顯著的提高。

4）兩級(jí)流水線指令結(jié)構(gòu)由于采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，在器件內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用了不同的總線寬度。當(dāng)一條指令被執(zhí)行時(shí)，下一條指令同時(shí)被取出，使得在每個(gè)時(shí)鐘周期可以獲得更高的效率。

5）寄存器組結(jié)構(gòu)PIC的所有寄存器，包括I/O端口、定時(shí)器和程序計(jì)數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，并且只需要一個(gè)指令周期就可以完成訪問和操作。

6）一次性可編程（OTP）技術(shù)OTP可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上市零等待（Zero time to market），并且可以根據(jù)用戶定制，滿足特定需要。產(chǎn)品定制可以顯著提高產(chǎn)品的生命周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。

7）功耗低供電電壓為2.0～5.5 V，當(dāng)使用4 MHz晶振，供電電壓為3 V時(shí)，耗電電流典型值不超過6 mA：當(dāng)用32 kHz晶振，供電電壓力3 V時(shí)，耗電電流典型值為20 mA，睡眠模式耗電電流更是低于1 μA。

8）品種齊全、方便選擇PIC系列單片機(jī)目前已形成具有高、中、低3檔共50多種型號(hào)的龐大家族，功能靈活多樣，能適應(yīng)多種應(yīng)用場合的不同需要。

2 電容測量模塊工作原理

電容測量模塊總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示，包括電源管理電路、PIC16LF874單片機(jī)、電容式傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、PS021電容數(shù)字轉(zhuǎn)化器以及與計(jì)算機(jī)連接的接口電路[1]。

圖1 電容測量模塊原理圖

電容測量模塊工作原理為：電容式傳感器輸出微弱的電容信號(hào)，電容信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)入PS021型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該器件的測量電容測量范圍從0到幾十nF（無限制），經(jīng)過器件內(nèi)部轉(zhuǎn)換，通過對(duì)PS021內(nèi)部寄存器的設(shè)置，得到需要的值；通過SPI把數(shù)據(jù)傳送到PIC16LF874單片機(jī)，測得的數(shù)據(jù)再通過單片機(jī)異步串行通信接口USART送到上位機(jī)（計(jì)算機(jī)），最后由上位機(jī)應(yīng)用程序來顯示測量結(jié)果以及保存測試數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件連接

本測量電路需要控制器件來控制數(shù)據(jù)的讀取和寫入，選用結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大，并且兼容SPI串行接口的PIC16LF874單片機(jī)。由于PS021的外圍接口是SPI，因此單片機(jī)能很好的控制PS021工作，同時(shí)測量數(shù)據(jù)可以通過USART串行接口送入到上位機(jī)中[3]。單片機(jī)的連接如圖2所示，PS021的連接圖如圖3所示。

圖2 PIC16LF874單片機(jī)的連線

圖3 PS021測量電容連線

4 系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)

基于PS021設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件包括檢測、控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)界面等程序。在程序運(yùn)行速度和存儲(chǔ)容量許可的條件下，盡量用軟件實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)的硬件功能，簡化硬件配置。此外，界面是測試系統(tǒng)和虛擬儀器的“窗口”，是系統(tǒng)顯示功能信息的主要途徑。軟件設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)功能，而且要界面美觀。在確定測試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)后，關(guān)鍵是選擇合適的軟件開發(fā)工具編寫相應(yīng)的應(yīng)用軟件。以圖形化編程語言開發(fā)該測試模塊。該開發(fā)環(huán)境能提供一個(gè)集成的開發(fā)環(huán)境，與儀器硬件連接方便，具有良好的用戶界面。根據(jù)上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的原理，得到測試系統(tǒng)的軟件，通過在軟件的主界面設(shè)置一些參數(shù)，硬件電路和上位機(jī)相連，就能顯示測量結(jié)果。測量結(jié)果在數(shù)據(jù)顯示界面顯示[5]，如圖4所示。

圖4 測量數(shù)據(jù)顯示界面

5 試驗(yàn)與結(jié)果

運(yùn)用上述軟件測量。在測量之前，必須對(duì)測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)PS021要求參考電容Cref與被測電容Cmeas在同一電容值范圍，即確保Cmeas/Cref比率不會(huì)超過25%（PS021的極限值）。參考電容是一個(gè)非常重要的部分，對(duì)于測量的質(zhì)量以及測量的溫度穩(wěn)定性有直接的影響。推薦的電容材料：CFCAP（太陽誘電Taiyo Yuden公司的多層陶瓷電容）系列，COG或者NPO陶瓷電容[6]。放電電阻Rdis與放電時(shí)間密切相關(guān)，放電時(shí)間τ=0.7R（C+20 pF），時(shí)間常數(shù)τ范圍為2～10 μs（推薦5 μs）。根據(jù)公式計(jì)算之放電電阻阻值。

試驗(yàn)中，分別選取1、2、3、5.1、6.8、8.2、9.1、12、13、15、16.5、18 pF的固定電容作為被測電容。根據(jù)被測電容的范圍確定參考電容的大小，然后根據(jù)被測電容和參考電容值，并結(jié)合放電時(shí)間來確定放電電阻阻值，最后選擇適當(dāng)?shù)臏y量模式進(jìn)行測量。在標(biāo)定好的系統(tǒng)下，在參考端和被測端分別接一只參考電容，此時(shí)在數(shù)據(jù)顯示界面顯示的值為參考電容值以及寄生電容值的和（圖3中Sensor 1顯示的數(shù)據(jù)）；然后在被測端參考電容的基礎(chǔ)上再并聯(lián)被測電容，此時(shí)測得的數(shù)據(jù)為被測電容值、參考電容值以及寄生電容值的總和，以上兩步所測值相減就是被測的電容值，最后得到的被測電容值統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 被測電容標(biāo)稱值與測量值的比較

表1反映了被測電容測量值和標(biāo)稱值之間的相對(duì)誤差，同時(shí)也得知被測電容電容值越大，測量值和標(biāo)稱值相對(duì)誤差越小。由于被測電容受到環(huán)境溫度、焊錫量多少以及被測電容質(zhì)量等因素的影響，存在一定的誤差。通過多次測量進(jìn)行平均，以獲取更穩(wěn)定的電容值。在標(biāo)定好的系統(tǒng)下，對(duì)固定電容進(jìn)行測量來驗(yàn)證測量模塊的精確度，測量值和標(biāo)稱值非常接近，可認(rèn)為被測電容標(biāo)稱值誤差較小，進(jìn)一步得知電容測量模塊測量精度較高。

6 結(jié)束語

PIC16LF874單片機(jī)能夠很好的控制電容測量模塊，對(duì)研究電容式傳感器有很好的促進(jìn)作用，該單片機(jī)簡化了電路設(shè)計(jì)，使測量結(jié)果達(dá)到較高的精度；同時(shí)這種測量模塊可以減小電路板的體積，從而減小整個(gè)裝置的體積；大大簡化了電路設(shè)計(jì)過程、降低產(chǎn)品的開發(fā)難度、對(duì)加速產(chǎn)品的研制、降低生產(chǎn)成本具有非常重要的意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此測量模塊具有較好的實(shí)用性。

[1]陳濤，楊軍峰.基于RISC-SOC唯電容測量模塊的研制［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008（7）：176-178.

[2]Microchip.PIC16LF874 Datasheet[EB/OL].2006.http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30292c.pdf.

[3]趙霞，于曉洋，陳德運(yùn).電容層析成像系統(tǒng)的電容測量電路[J].電測與儀表，2002（1）：22-25。

[4]WEMBE TAFO EVARISTE.Design and simulation of charge sensitive preamplifier with CMOS FET implemented as feedback capacitor C_（fp）[J].Nuclear Science and Techniques，2008（4）：25-28.

[5]Acam.PS021 Datasheet[EB/OL].2006.http://www.acam.de/fileadmin/Download/pdf/others/DB_PS021_CAP_cn.pdf.

[6]馬鐵華.存儲(chǔ)測試技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用及特種傳感器技術(shù)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，1999.