電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種裝置，目前已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。它具有結(jié)構(gòu)簡單,、溫度穩(wěn)定性好,、分辨力高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,，并能在高溫,、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等優(yōu)點(diǎn)。
由于電容式傳感器輸出的電容信號(hào)很小(1 fF～10 pF),，同時(shí)存在傳感器及其連接導(dǎo)線雜散電容和寄生電容的影響,，這就需要測量電路" title="測量電路">測量電路必須滿足動(dòng)態(tài)范圍大、測量靈敏度高,、低噪聲,、抗雜散性等要求。
目前,，國內(nèi)外在測量10 pF以下的電容都存在很大的困難,，測量電路多是采用電荷轉(zhuǎn)移法或交流法，即將電容量轉(zhuǎn)換為電壓或電流,，電路往往受到電子開關(guān)的電荷注入效應(yīng)的影響,，并且其提高測量速度和提高分辨力的矛盾難以解決。
本文擬采用德國ACAM公司的通用電容檢測芯片PS021芯片進(jìn)行微小電容測量電路的設(shè)計(jì),。該芯片把電容測量轉(zhuǎn)化為精確的時(shí)間測量,，內(nèi)部算法可以很好地抑制寄生電容對測量結(jié)果的影響，芯片集成的溫度補(bǔ)償模塊還能保證很好的穩(wěn)定性,，在10 Hz刷新頻率時(shí)能夠達(dá)到6 aF的有效精度,，最高刷新頻率可達(dá)50 kHz，高精度高刷新率可緩和測量速度和分辨力的矛盾,?！ ?/p>
1 微小電容測量模塊
總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示，主要有承壓殼體,、電源管理電路,、PS021芯片、單片機(jī)幾部分組成,。
PS021芯片將承壓殼體變化產(chǎn)生的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的16位數(shù)字量,；MSP430單片機(jī)通過SPI接口對PS021進(jìn)行控制，并將數(shù)據(jù)存入MSP430的閃存,；數(shù)據(jù)采集完畢之后通過紅外模塊傳到計(jì)算機(jī)中,，使用VisualBasie6．O軟面板顯示測量結(jié)果曲線；電源管理部可對MSP430和PS021進(jìn)行分時(shí)可控供電,。
1．1 PS021主要特性
PS021芯片基于TDC(Time-to-Digital Convexter時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器)技術(shù)而產(chǎn)生,，使之成為一種完全集成的超低功耗" title="低功耗">低功耗、超高精度測量芯片,。這種數(shù)字測量原理提供非常高的測量靈活性,，具有很寬的測量范圍,，有效精度位最高可達(dá)22位。芯片可以通過SPI兼容的串行口,，與單片機(jī)或DSP進(jìn)行通信,。同時(shí)具有獨(dú)立的溫度測量端口、寄生電容補(bǔ)償電路,，是一款可用于壓力傳感器,、加速度傳感器、間隙測量的高端芯片,。
1．2 測量原理
感應(yīng)電容和參考電容與電阻相連接形成了一個(gè)低通濾波器,。PS021控制模擬開關(guān)輪流通斷，二者導(dǎo)通時(shí)間相等,，兩個(gè)電容依次輪流在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)充放電" title="充放電">充放電,。放電到相同電壓的時(shí)間將會(huì)被高精度TDC所測量。
參考電容充放電測得τ1=RCref,，傳感器電容充放電測得τ2=RCsensor,，根據(jù)芯片內(nèi)部算法計(jì)算出τ2／τ1=Csensor／Cref，其中Cref為已知電容,，最后得到16位的效據(jù),，從而實(shí)現(xiàn)了對傳感器電容的測量。PS021控制模擬開關(guān)使得充放電重復(fù)在兩個(gè)電容進(jìn)行,，然后計(jì)算出電容測量值的比值,。如圖2所示，該曲線圖是由兩個(gè)電容之一的充放電曲線在時(shí)間軸上平移導(dǎo)通時(shí)間而得,，圖中ns級的間隔對應(yīng)兩個(gè)電容的差值,。當(dāng)傳感器處于初始狀態(tài)時(shí)，參考端電容基本等于傳感器的初始電容,，兩者充放電曲線通過平移基本上能夠重合,；當(dāng)被測電容變化時(shí)，圖中ns級的間隔△t對應(yīng)兩個(gè)電容的差值△C,，或者電容的變化△C引起放電時(shí)間的延遲△t。
2 測量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)低功耗,，系統(tǒng)在上電后進(jìn)入超低功耗狀態(tài),，需要外部電平信號(hào)才能喚醒。系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)計(jì)如圖3,，為了避免系統(tǒng)的誤動(dòng)作,，當(dāng)需要測量電容信號(hào)時(shí)，將觸發(fā)信號(hào)置為高,，如果15 s內(nèi)觸發(fā)信號(hào)一直為高,，則系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)采集存儲(chǔ)的狀態(tài),。為得到包括觸發(fā)前和觸發(fā)后的完整電容信號(hào)曲線，一旦電容信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)的觸發(fā)值,，系統(tǒng)便進(jìn)入觸發(fā)態(tài),，將電容信號(hào)存儲(chǔ)到閃存，閃存存滿后,，將RAM中的FIFO數(shù)據(jù)導(dǎo)入閃存預(yù)留地址,。
2．2 控制模塊
測量電路需要控制芯片來控制數(shù)據(jù)的讀取和寫入，由于PS021的外圍接口是SPI,，所以控制部分采用美國TI公司的超低功耗微控制器MSP-430FG4618,，它具有8 kB的RAM和113 kB的閃存。工作時(shí),，在SPI通信正確之后,，單片機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送讀寫命令設(shè)置PS021并控制其測量的啟停，并接收存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào),，實(shí)現(xiàn)數(shù)字內(nèi)觸發(fā),。觸發(fā)前RAM循環(huán)存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，觸發(fā)后將數(shù)據(jù)存入閃存中,，采集完畢時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)2 kB的負(fù)延時(shí),。
2．3 電源管理模塊
為實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)的各個(gè)工作環(huán)節(jié)中,，由單片機(jī)適時(shí)控制不同模塊的供電開關(guān)狀態(tài),，為其提供電源或者切除電源，從而達(dá)到省電的目的,。如圖4所示,，電路供電選用LDO芯片LP5966輸出兩個(gè)獨(dú)立的3．3 V電壓：VDD=3．3 V供給單片機(jī)電源電壓，其供電使能一直開著,，LVDD=3．3 V供給PS021,，由ONA控制其開關(guān)狀態(tài)；選用電荷泵芯片MAX1595輸出HVDD=5 V供給PS021,，由ONB控制其開關(guān)狀態(tài),；兩個(gè)芯片的供電直接由電池提供。
2．4 數(shù)據(jù)讀取模塊
數(shù)據(jù)傳輸采用SHARP公司生產(chǎn)的GP2W0116YPS紅外模塊,，具有功耗低,、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高的特點(diǎn),?？蓪?shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的無線數(shù)據(jù)通信，它支持紅外IrDA1．2的標(biāo)準(zhǔn),，數(shù)據(jù)傳播速率2．4 kb／s～115．2 kb／s,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，主要通過軟件實(shí)現(xiàn)控制功能，控制數(shù)據(jù)的采集和傳輸,，采用C語言對單片機(jī)編程,，程序可讀性強(qiáng)，方便移植,。主程序流程圖如圖5所示,。
主程序結(jié)構(gòu)很簡單，系統(tǒng)電源上電,，關(guān)閉看門狗,，I／O口初始化，進(jìn)入低功耗狀態(tài)LPM4,，等待上電中斷,、計(jì)算機(jī)讀數(shù)請求中斷，中斷響應(yīng)完畢后均返回低功耗狀態(tài)LPM4,?！ ?/p>
4 測量
將電路用于內(nèi)彈道壓力測試系統(tǒng)" title="測試系統(tǒng)">測試系統(tǒng)電容式測壓器時(shí)，將22 cm3的測試系統(tǒng)置于燃爆壓力場中,，得到測量曲線如圖6所示,。
5 結(jié)論
將電路用于內(nèi)彈道壓力測試系統(tǒng)中，取得了較好的效果,，電路在10 kHz的刷新頻率下,，完整記錄了爆炸前后的電容信號(hào)變化曲線。同時(shí)電路板采用六層設(shè)計(jì),，面積小于2．5 cm2,，低功耗電流為0．04μA，體現(xiàn)了低功耗,、體積小等優(yōu)點(diǎn),。測量方案非常靈活，能實(shí)現(xiàn)模塊化,，電路設(shè)計(jì)可以移植到許多電容式傳感器的設(shè)計(jì)中去,，降低了產(chǎn)品的開發(fā)難度，對加速產(chǎn)品的研制,、降低生產(chǎn)成本具有非常重要的意義,。