基于電容檢測芯片的電容檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對電容式傳感器研發(fā)過程中缺乏有效的微小電容檢測儀器的問題，設(shè)計了一種基于電容檢測芯片MS31lO的電容式傳感器檢測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計以及單片機(jī)和上位機(jī)部分的軟件設(shè)計，并對系統(tǒng)的檢測精度進(jìn)行了測試。結(jié)果證明，該系統(tǒng)具有較高的檢測精度。

引言

電容式傳感器一般是將被測量的變化量轉(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pF，甚至幾個fF。這便對電容檢測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設(shè)備對傳感器進(jìn)行測試與調(diào)校。但是一直以來國內(nèi)外都缺乏能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行實時檢測的專用儀器，普遍的做法是針對所研發(fā)的傳感器自行設(shè)計、制做專門的電容檢測電路，這無疑增加了傳感器設(shè)計的難度與工作量。針對這一問題，我們設(shè)計了通用的電容式傳感器檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行實時檢測，并可以通過上位機(jī)實現(xiàn)實時顯示、存儲等功能。

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)換為電壓或其他量等。從技術(shù)難度、測量精度等多方面考慮，本系統(tǒng)采用集成電容檢測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。電容檢測芯片選用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)換器對輸出電壓進(jìn)行采樣，并通過I／O端口對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、實時顯示、存儲等。上位機(jī)由普通微機(jī)構(gòu)成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 MS3110簡介及寄存器設(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芯片。它采用CMOS工藝，工作電壓為+5 V，測量靈敏度為，集成的補償電容等參數(shù)均可以通過寄存器控制。其基本測量原理為：對被測電容與參考電容同時以相反時序充放電，通過電流積分、低通濾波、放大等將被測電容與參考電容差值轉(zhuǎn)換為電壓輸出。MS3110內(nèi)含一個60位的寄存器和100位的EEPROM�？赏ㄟ^單片機(jī)MSP430F149的I／0口對其EEFROM編程，或使MS3110工作在測試狀態(tài)直接對寄存器進(jìn)行編程。通過這些設(shè)置可對MS3110內(nèi)部各個模塊的參數(shù)進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)。

MS3110原理框圖如圖2所示。MS3110主要由電容補償電路、電荷積分電路、低通濾波器以及運算放大器組成。

其中，CSlIN、CS2IN為被檢測電容，CSl、CS2為MS3110內(nèi)部的可調(diào)電容。通過對內(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)手冊中給出的寫寄存器時序圖中，將數(shù)據(jù)輸入時鐘SCLK周期標(biāo)為固定值2μs。在實驗中我們發(fā)現(xiàn)，周期大于2μs時均可成功設(shè)置。

2．2 MSP430F149簡介及通信接口設(shè)計

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的時鐘頻率下運行時，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接口與計算機(jī)串口直接相連。