引言
    電容式傳感器一般是將被測(cè)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(cè)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(gè)pF，甚至幾個(gè)fF,。這便對(duì)電容檢測(cè)的精度提出了很高的要求,，尤其是在傳感器的研發(fā)過(guò)程中，往往需要極高精度的電容檢測(cè)設(shè)備對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試與調(diào)校,。但是一直以來(lái)國(guó)內(nèi)外都缺乏能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的專用儀器,，普遍的做法是針對(duì)所研發(fā)的傳感器自行設(shè)計(jì)、制做專門的電容檢測(cè)電路,，這無(wú)疑增加了傳感器設(shè)計(jì)的難度與工作量,。針對(duì)這一問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了通用的電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng),。該系統(tǒng)能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),，并可以通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)等功能,。

1 總體設(shè)計(jì)
    電容式傳感器的檢測(cè)方法主要有：設(shè)計(jì)專用ASIC芯片,；使用分立元件通過(guò)電容橋、頻率測(cè)量等原理實(shí)現(xiàn)測(cè)量,；使用通用電容檢測(cè)芯片將電容轉(zhuǎn)換為電壓或其他量等,。從技術(shù)難度、測(cè)量精度等多方面考慮,，本系統(tǒng)采用集成電容檢測(cè)芯片來(lái)完成對(duì)電容式傳感器的檢測(cè),。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電容檢測(cè)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(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并通過(guò)I／O端口對(duì)MS3110內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置,。數(shù)據(jù)經(jīng)采樣后通過(guò)串口傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理,、實(shí)時(shí)顯示,、存儲(chǔ)等。上位機(jī)由普通微機(jī)構(gòu)成,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 MS3110簡(jiǎn)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(cè)芯片,。它采用CMOS工藝，工作電壓為+5 V,，測(cè)量靈敏度為,，集成的補(bǔ)償電容等參數(shù)均可以通過(guò)寄存器控制。其基本測(cè)量原理為：對(duì)被測(cè)電容與參考電容同時(shí)以相反時(shí)序充放電,，通過(guò)電流積分,、低通濾波、放大等將被測(cè)電容與參考電容差值轉(zhuǎn)換為電壓輸出,。MS3110內(nèi)含一個(gè)60位的寄存器和100位的EEPROM,。可通過(guò)單片機(jī)MSP430F149的I／0口對(duì)其EEFROM編程,，或使MS3110工作在測(cè)試狀態(tài)直接對(duì)寄存器進(jìn)行編程,。通過(guò)這些設(shè)置可對(duì)MS3110內(nèi)部各個(gè)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(bǔ)償電路,、電荷積分電路、低通濾波器以及運(yùn)算放大器組成,。

    其中,，CSlIN、CS2IN為被檢測(cè)電容,，CSl,、CS2為MS3110內(nèi)部的可調(diào)電容。通過(guò)對(duì)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(gè)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(guò)寄存器進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。其空載輸出電壓的計(jì)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(gè)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(cè)試狀態(tài),，通過(guò)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(duì)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(cè)中給出的寫寄存器時(shí)序圖中,，將數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘SCLK周期標(biāo)為固定值2μs,。在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，周期大于2μs時(shí)均可成功設(shè)置,。
2．2 MSP430F149簡(jiǎn)介及通信接口設(shè)計(jì)
    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(shí)鐘頻率下運(yùn)行時(shí)，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(guò)MAX3232芯片轉(zhuǎn)換為三線RS232接口與計(jì)算機(jī)串口直接相連。

 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)軟件與上位機(jī)軟件兩部分,。
3．1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    采用IAR Assembler for MSP430集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,，使用C語(yǔ)言編寫了單片機(jī)部分的程序，主要包括系統(tǒng)初始化,、測(cè)量芯片寄存器初始化,、測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸?shù)取纹瑱C(jī)軟件流程如圖3所示,。

    單片機(jī)初始化包括單片機(jī)I／O初始化,、串行口參數(shù)初始化,、A／D轉(zhuǎn)換器初始化，以及與上位機(jī)通信接收系統(tǒng)參數(shù)等,。MS31lO初始化是通過(guò)單片機(jī)I／O對(duì)MS3110內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化,，包括參考電容值、可調(diào)增益,、初始電壓等參數(shù),。采樣開(kāi)始后，單片機(jī)按照設(shè)定采樣率進(jìn)行采樣,；采樣結(jié)束后,，將數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理、顯示與存儲(chǔ),。

3．2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
     采用VC++6．0軟件和C++語(yǔ)言編寫系統(tǒng)的上位機(jī)軟件,。軟件功能主要包括設(shè)置參數(shù)，與下位機(jī)通信,，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖形化顯示,、存儲(chǔ)和讀取等。上位機(jī)軟件界面如圖4所示,。

4 精度測(cè)試與分析
    進(jìn)行測(cè)試前,，首先應(yīng)對(duì)電路的初始輸出進(jìn)行校準(zhǔn)。方法如下：將CSl,、CS2設(shè)置為O,，使用用高精度電壓表對(duì)MS3110芯片輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，輸出為O．497 192 V,，將式(1)中的VREF修正為0．497192 V,。
    在電路板CS2IN位置上焊接一個(gè)1．8 pF多層陶瓷電容，用于模擬外部電容式傳感器,；芯片內(nèi)部可調(diào)電容CS2由O逐步步進(jìn)到342 fF,，以模擬傳感器電容的變化，步進(jìn)值為19 fF,。具體寄存器參數(shù)設(shè)置如下：CSl設(shè)為O,，為CF設(shè)9．728 pF，可調(diào)增益GAIN設(shè)置為2,，V2P25設(shè)為2．25 V,，其他參數(shù)均取手冊(cè)推薦值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得,，當(dāng)CS2取O時(shí),，測(cè)量值為1．960 021 pF。與電容標(biāo)稱值的差異主要是由電容本身容差與電路的分步電容引起的,。由式(1)可得：
    CS2=(Vout-VREF)CF／(GAIN×V2P25×1．14) (2)
    代入具體數(shù)值可得：
    CS2=(Vout-0．497 192)×9．728／5．13 (3)
    其中,，Vout=(A／D采樣值／4 095)×2．25。精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列(實(shí)測(cè)容值為10次測(cè)量的均值),。

    測(cè)試結(jié)果表明,，該電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度，平均誤差僅為0．879 fF,，最大絕對(duì)誤差小于1．6 fF,。由于MSP430F149集成的A／D轉(zhuǎn)換器為12位，當(dāng)CF取9．728 pF時(shí),，系統(tǒng)對(duì)電容的分辨率只有1．042fF,。可見(jiàn),，A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率是制約檢測(cè)精度的重要因素,。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，可考慮采用更高位數(shù)的A／D轉(zhuǎn)換器,。

結(jié)語(yǔ)
    本文基于電容檢測(cè)芯片MS3110設(shè)計(jì)了一款電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng),，給出了設(shè)計(jì)要點(diǎn)和需要注意的問(wèn)題。該系統(tǒng)具有較高的測(cè)試精度,，可用于電容式傳感器檢測(cè)與研發(fā),。