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器結(jié)構(gòu),、兩級流水線指令結(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，針對單片機(jī)機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn),，從功耗,、驅(qū)動能力、外圍模塊設(shè)計等方面,，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)用的高性價比的單片機(jī)。

PIC16LF874系列單片機(jī)包括一系列不同型號的器件,。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)時間。

2)哈佛(Harvard)總線結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨(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,，下一條指令同時被取出，使得在每個時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、定時器和程序計數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式,，并且只需要一個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2.0～5.5V,，當(dāng)使用4 MHz晶振，供電電壓為3V時,，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，耗電電流典型值為20 mA,，睡眠模式耗電電流更是低于lμA,。

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)計原理框圖如圖l所示，包括電源管理電路,、PICl6LF874單片機(jī),、電容式傳感器、信號調(diào)理電路,、PS021電容數(shù)字轉(zhuǎn)化器以及與計算機(jī)連接的接口電路,。

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，電容信號通過信號調(diào)理電路。進(jìn)入PS02l型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器,，該器件的測量電容測量范嗣從0到幾十nF(無限制),，經(jīng)過器件內(nèi)部轉(zhuǎn)換，通過對PS02l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PICl6LF-874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PICl6LF874單片機(jī),。由于PS02l的外圍接口是SPI，因此單片機(jī)能很好的控制PS02l工作,，同時測量數(shù)據(jù)可以通過USART串行接口送入到上位機(jī)中,。單片機(jī)的連接如圖2所示，PS02l的連接圖如圖3所示,。

圖2 PIC16LF874單片機(jī)的連線

圖3 PSO21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,，如圖4所示,。

圖4 測量數(shù)據(jù)顯示頁面

5 試驗與結(jié)果

運(yùn)用上述軟件測量。在測量之前,，必須對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,，標(biāo)定時PS02l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比率不會超過25%(PS02l的極限值),。參考電容是一個非常重要的部分,，對于測量的質(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,。放電電阻Rdis與放電時間密切相關(guān)，放電時間τ=0.7R(C+20 pF),，時間常數(shù)τ范圍為2～10μs(推薦5μs),。根據(jù)公式計算之放電電阻阻值。

試驗中,，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 l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)計如表l所示,。

表1反映了被測電容測量值和標(biāo)稱值之間的相對誤差，同時也得知被測電容電容值越大,，測量值和標(biāo)稱值相對誤差越小,。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,，對固定電容進(jìn)行測量來驗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

PlCl6LF874單片機(jī)能夠很好的控制電容測量模塊,，對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，使測量結(jié)果達(dá)到較高的精度;同時這種測量模塊可以減小電路板的體積,，從而減小整個裝置的體積;大大簡化了電路設(shè)計過程,、降低產(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,。實(shí)驗結(jié)果證明，此測量模塊具有較好的實(shí)用性,。