基于电容检测芯片的电容检测系统设计 张小勇。陈颖鸣，郭禹姬 （中北大学信息与通信Ｔ程学院，太原０３００５１） 摘要：针对电容式传感器研发过程中缺乏有效的微小电容检测仪器的问题，设计了一种基于电容检测芯片ＭＳ３１１０的 电容式传感器检测系统，给出了系统的硬件设计以及单片机和上位机部分的软件设计，并对系统的检测精度进行了测 试。结果证明，该系统具有较高的检测精度。 关键词：电容式传感器；检测；ＭＳ３１１０ 中图分类号：Ｚ６２ 文献标识码：Ａ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＳ３ １ １ ０ Ｚｈａｎｇ Ｘｉａｏｙｏｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｙｉｎｇｍｉｎｇ，Ｇｕｏ Ｙ ｕｊｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５ ｌ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｌａｃｋｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ，ａ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＳ３ ｌ １０．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＭＣＵ ａｎｄ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｃ— ｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ，ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＭＳ３１１０ 图如图１所示。电容检测芯片选用Ｉｒｖｉｎｅ Ｓｅｎｓｏｒ公司的 引 言 电容式传感器一般是将被测量的变化量转换为电容量 的变化。目前，基于这种原理的各种类型的传感器已在测 量加速度、液位、几何孑Ｌ径等方面得到了广泛的应用。但以 ＭＳ３１１０。ＭＳ３１１０将电容量转换为电压量输 （量程为 ０～１０ ｐＦ）。单片机ＭＳＰ４３０Ｆ１４９集成的ｌ２位Ａ／Ｄ转换 器对输出电压进行采样，并通过Ｉ／Ｏ端口对ＭＳ３１１０内部 寄存器进行设萱。数据经采样后通过串口传送到上位机 电容为变化量的传感器（尤其是ＭＥＭＳ传感器），其电容变 化范围往往只有几个ｐＦ，甚至几个ｆＦ。这便对电容检测的 进行处理、实时显示、存储等。上位机由普通微机构成。 电源模块 精度提出了很高的要求，尤其是在传感器的研发过程中，往 往需要极高精度的电容检测设备对传感器进行测试与调 校。但是一直以来国内外都缺乏能够对微小电容进行实时 检测的专用仪器，普遍的做法是针对所研发的传感器自行 图１ 系统结构框图 ＭＳ３１ １０ ｌ模拟量 粤 ０Ｆ１４９ —；叶上位机 上 设计、制做专门的电容检测电路Ⅲ，这无疑增加了传感器设 计的难度与工作量。针对这一问题，我们设计了通用的电 ２ 系统硬件设计 ２．１ ＭＳ３１１０简介及寄存器设置 ＭＳ３１１０是Ｉｒｖｉｎｅ Ｓｅｎｓｏｒ公司生产的具有极低噪声的通 容式传感器检测系统。该系统能够对微小电容进行实时检 测，并可以通过上位机实现实时显示、存储等功能。 １ 总体设计 电容式传感器的检测方法主要有：设计专用ＡＳＩＣ芯 片；使用分立元件通过电容桥、频率测量等原理实现测量； 使用通用电容检测芯片将电容转换为电压或其他量等。 用电容检测芯片。它采用ＣＭＯＳ工艺，工作电压为＋５ Ｖ， 测量灵敏度为４ ａＦ／Ｈｚ ，集成的补偿电容等参数均可以通 过寄存器控制。其基本测量原理为：对被测电容与参考电容 同时以相反时序充放电，通过电流积分、低通滤波、放大等将 被测电容与参考电容差值转换为电压输出。ＭＳ３１１０内含一 个６Ｏ位的寄存器和１００位的ＥＥＰＲＯＭ。可通过单片机 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９的Ｉ／ｏ口对其ＥＥＰＲ０Ｍ编程，或使ＭＳ３１１０工 从技术难度、测量精度等多方面考虑，本系统采用集成电 容检测芯片来完成对电容式传感器的检测。系统结构框 ｐａｐｅｒ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｅｏｍ．ｃｎ（投稿专用） Ｍｉｃｒｏｃ０ｎｔｒｏ１１ｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｖｓｔｅｍｓ ３ ５ 作在测试状态直接对寄存器进行编程。通过这些设置可对 ＭＳ３１１０内部各个模块的参数进行精确的调节。 ＭＳ３１１０原理框图如图２所示。ＭＳ３１１０主要由电容补 Ａ／Ｄ转换器的参考电压。低功耗单片机与集成Ａ／Ｄ转换 器的采用保证了系统拥有较低的功耗。 与上位机的通信接口采用ＭＳＰ４３０Ｆ１４９集成的串行 接口，通过ＭＡＸ３２３２芯片转换为三线ＲＳ２３２接口与计算 机串口直接相连。 偿电路、电荷积分电路、低通滤波器以及运算放大器组成 。 ＭＳ３ｌ１Ｏ ＣＳｌ ＣＳｌｌＮ ３系统软件设计 系统软件包括单片机软件与上位机软件两部分。 ｃ￥２１Ｎ ＣＳ２ ３．１ 单片机软件设计 采用ＩＡＲ Ａｓｓｅｍｂｌｅｒ ｆｏｒ ＭＳＰ４３０集成开发环境，使用 Ｃ语言编写了单片机部分的程序，主要包括系统初始化、 测量芯片寄存器初始化、测量与数据传输等。单片机软件 图２ ＭＳ３１ｌ０原理框图 流程如图３所示。 单片机初始化Ｉ ｔ 其中，ＣＳＩｌＮ、ＣＳ２ＩＮ为被检测电容，ＣＳ１、ＣＳ２为 单片机初始化包括单片机ｉ／ｏ初 ＭＳ３１１０内部的可调电容。通过对内部寄存器进行设置， ＣＳ１可在０～１．１９７ ｐＦ范围内调节，ＣＳ２可在０～９．７０９ ｐＦ范围内调节。ＣＦ为电荷积分器的积分电容，可在０～ １９．４３７ ｐＦ范围内调节。以上３个可调节电容的调节步进 始化、串行口参数初始化、Ａ／Ｄ转换器 初始化，以及与上位机通信接收系统 参数等。ＭＳ３１１０初始化是通过单片 机Ｉ／Ｏ对ＭＳ３１１０内部寄存器进行初 Ｍｓ３ｌ１ｏ初始化Ｉ ● 开始采样 Ｉｌ Ｔ一 数据处理与传输ｌ Ｎ 均为１９ ｆＦ。低通滤波器的带宽可在０．５～８ ｋＨｚ范围内 调节，可调增益ＧＡＩＮ可选择２或４。 另外，参考电压 、空载输出电压 等也可以通过寄 始化，包括参考电容值、可调增益、初 始电压等参数。采样开始后，单片机 按照设定采样率进行采样；采样结束 存器进行精确调节。其空载输出电压的计算公式如下： Ｖｏｏ，一 后，将数据经转换后传送给上位机进 行处理、显示与存储。 （１） 图３ 单片机 软件流程 ＧＡＩＮ ｘ Ｖ２Ｐ２５×１．１４×（ＣＳ２Ｔ—ＣＳ１Ｔ）／ＣＦ十ＶｒＲＥＦ ３．２上位机软件设计 采用ＶＣ＋＋６．０软件和Ｃ＋十语言编写系统的上位机软 件。软件功能主要包括设置参数，与下位机通信，数据实时 图形化显示、存储和读取等。上位机软件界面如图４所示。 式中：ＣＳ１Ｔ—Ｃｓ１ＩＮ＋ＣＳ１，ＣＳ２Ｔ—Ｃｓ２ＩＮ＋ＣＳ２；本系 统中可调整的内部增益ＧＡＩＮ取２；Ｖ２Ｐ２５为芯片参考电压 输出，默认值为２．２５ Ｖ；参考电压 可选０．５ Ｖ与２．５ Ｖ两 个值，本系统中选取０．５ Ｖ。由于烧写ＥＥＰＲＯＭ需要额外的 １６ Ｖ电压，本系统中将ＴＥＳＴ引脚拉低使芯片处于测试状 态，通过ｉ／ｏ即可直接更改其寄存器。由于掉电后寄存器数 据将丢失，所以每次上电后都需要对所有的寄存器进行初始 化。需要特别指出的是，ＭＳ３１１０数据手册中给出的写寄存 器时序图中，将数据输入时钟ＳＣＬＫ周期标为固定值２ ｓ。 在实验中我们发现，周期大于２ ｓ时均可成功设置。 ２．２ ＭＳＰ４３０Ｆ１４９简介及通信接口设计 系统使用ＭＳＰ４３０Ｆ１４９集成的１２位Ａ／Ｄ转换器进 行Ａ／Ｄ转换。ＭＳＰ４３０Ｆ１４９在１ ＭＨｚ的时钟频率下运行 时，芯片的电流在２００～４００ Ａ左右；在等待方式下，耗 电仅为０．７ Ａ；在节电方式下，电流最低可达０．１ Ａ。 集成的１２位Ａ／Ｄ转换器具有较高的转换速率，最高可达 ２００ ｋｂｐｓ，能够满足大多数数据采集应用，为系统的单片 解决方案提供了极大的方便 。 ＭＳＰ４３０Ｆ１４９集成的Ａ／Ｄ转换器可采用内部２．５ Ｖ 参考电压或外部参考电压，但其内部参考电压准确性较 差，在本系统中将ＭＳ３１１０的２．２５ Ｖ参考电压输出作为 图４上位机软件界面 ４精度测试与分析 进行测试前，首先应对电路的初始输出进行校准。方 法如下：将ＣＳ１、ＣＳ２设置为０，使用用高精度电压表对 ＭＳ３１１０芯片输出电压进行测量，输出为０．４９７ １９２ Ｖ，将 式（１）中的 ＲＥＦ修正为０．４９７ｌ９２ Ｖ。 ３ ６ 《车哼机乌嵌入式彖’毛应冈》＿墨Ⅱ囡墨置霾嘲 ａｄｖ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｎｒ．ｃｎ（广告专用） 在电路板ＣＳ２ＩＮ位置上焊接一个１．８ ｐＦ多层陶瓷电 容，用于模拟外部电容式传感器；芯片内部可调电容ＣＳ２ 测试结果表明，该电容式传感器榆测系统具有较高的 检测精度，平均误差仅为０．８７９ ｆＦ，最大绝对误差小于 １．６ ｆＦ。｝｝ｉ于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９集成的Ａ／Ｄ转换器为ｌ２位， 当ＣＦ取９．７２８ ｐＦ时，系统对电容的分辨率只有１．０４２ 由０逐步步进到３４２ ｆＦ，以模拟传感器电容的变化，步进 值为１９ ｆＦ。具体寄存器参数设置如下：ＣＳ１设为０，为 ＣＦ设９．７２８ ｐＦ，可调增益ＧＡＩＮ设置为２，Ｖ２Ｐ２５设为 ｆＦ。可见，Ａ／Ｄ转换器的分辨率是制约检测精度的重要 因素。在对系统进行改进时，可考虑采用更高位数的Ａ／ Ｄ转换器。 ２．２５ Ｖ，其他参数均取手册推荐值。通过实验测得，当 ＣＳ２取０时，测量值为１．９６０ ０２１ ｐＦ。与电容标称值的差 异主要是由电容本身容差与电路的分步电容引起的。由 式（１）可得： ＣＳ２一（Ｖｏ 一ＶＲ ）ＣＦ／（ＧＡＩＮ×Ｖ２Ｐ２５×１．１４） （２） 结 语 本文基于电容检测芯片ＭＳ３１１０设计了一款电容式 代人具体数值可得： ＣＳ２一（Ｖ。 一０．４９７ １９２）×９．７２８／５．１３ （３） 传感器检测系统，给出了设计要点和需要注意的问题。该 系统具有较高的测试精度，可用于电容式传感器检测与 研发。腥 参考文献 ［１］Ｓｕｚｕｋｉ Ｙｕｊｉ，Ｔａｉ Ｙｕｅｈｏｎｇ．Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｈｉｇｈ Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ Ｐａｒｙｌｅｎｅ Ｓｐｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｉ．ｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ 其中，Ｖ 一（Ａ／Ｄ采样值／４ ０９５）×２．２５。精度测试实验 结果如表１所列（实测容值为１０次测量的均值）。 表１ 精度测试实验结果 被测容值／ｐＦ 实测容值／ｐＦ 绝对误差／ｆＦ １．９７９０２１ １．９９８０２１ ２．０１７０２１ ２．Ｏ３６Ｏ２１ １．９７８８４８ １．９９８３６３ ２．０１７４６１ ２．Ｏ３６２６８ ０．１ ７３ ０．３４２ ０．４４０ ０．２４７ ２．Ｏ５５Ｏ２１ ２．０７４０２１ ２．０９３０２１ ２．１１２０２１ ２．１３１Ｏ２ｌ ２．１ ５００２１ ２．１ ６９０２ｌ ２．１８８０２１ ２．２０７０２１ ２．２２６０２１ ２．２４５０２１ ２．２６４０２１ ２．２８３０２１ ２．３Ｏ２０２Ｉ ２．０５５６５９ ２．０７４３４３ ２．Ｏ９３６６８ ２．】１２６８３ ２．１３１ ９４８ ２．１５１０６７ ２．１７０１５５ ２．１８９２２５ ２．２Ｏ８１ ９６ ２．２２７２１１ ２．２４６４７６ ２．２６５１２６ ２．２８４５６８ ２．３Ｏ３６０５ ０．６３８ ０．３２２ ０．６４７ ０．６６２ ０．９２７ １．０４６ １．１３４ １．２０４ １．１７５ １．２００ １．４３９ １．１０５ １．５４７ １．５８４ Ａｅｅｅｌｅｒｏｍｅ ｔｅｒｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ，２００６，１５ （５）：ｌ３６４—１ ３７０． ［２］徐平，张勇，侯占强，等．基于ＭＳ３１１０的差分电容检测方法 研究及其电磁兼容性没计［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００８，２３ （５）：６０—６１． ［３］杨平，王威．ＭＳＰ４３０系列超低功耗单片机及应用［Ｊ］．国外 电子测量技术，２００８，ｌ６（１２）：４８—５Ｏ． 张小勇（硕士研究生），主要研究方向为无损检测及动态测试技术。 （收稿日期：２０１０—０１—２５） 凌力尔特推出ＳＯＴ２３电压基准ＬＴ６６５６ 凌力尔特公司（Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）推出精确的ＳＯＴ２３电压基准ＬＴ６６５６。该器件以仅为８５０ ｎＡ的电源电流工 作。ＬＴ６６５６具有不到０．０５ 的初始误差、以及低于１０ ｐｐｍ／￣Ｃ保证的温度漂移。这种精确度和超低功率相结合，非常适用于便 携式、无线和远程设备。 ＬＴ６６５６具有５ ｍＡ的输出驱动能力，适合多种应用。ＬＴ６６５６可以代替低功率并联基准，在可变负载电流和电源电压存在的 情况下，提供更高的效率和稳定性。就很多应用而言，极低的静态电流允许ＬＴ６６５６保持始终接通的稳定状态。 １－Ｔ６６５６以凌力尔特公司涵盖广泛的精确电压基准系列为基础，为电池供电应用而优化。这种高性能双极型器件可以 承受电池反向情况、接受高达１８ Ｖ的输入电压、并以比输出电压仅高３ ｍＶ的电压工作。在未加电时，输出呈高阻抗，从而 避免给电路的其余部分加栽。ＬＴ６ ６ ５６完全规定在一４０～８ ５℃的温度范围内工作，并在一５５～１ ２５℃的极端温度范围内性 能得以保证 ｎ ｔ１ｐｒ ｍ ｐｔ…ｒｎ ｒ格璃专田、 ………ｌ１＾～Ｒ Ｆ～Ｌ ｊＪ—ｊ ｃ…… ７
