PICl6LF874單片機(jī)在電容測量模塊中的應(yīng)用

摘要：為提高電容測量精度，針對電容式傳感器的工作原理設(shè)計(jì)了基于PICl6LF874單片機(jī)電容測量模塊。簡單闡述了電容測量電路的應(yīng)用背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了美國Microchip公司PICl6LF874單片機(jī)的特性。電容式傳感器輸出的動(dòng)態(tài)微弱電容信號通過PS02l型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器把模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)據(jù)，所測數(shù)據(jù)由PICl6LF874單片機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行處理、顯示和保存。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，固定電容標(biāo)稱值為lO～20 pF的測量值相對誤差在l％以內(nèi)，同時(shí)也可知被測電容容值越大，測量值和標(biāo)稱值相對誤差越小。
關(guān)鍵詞：PICl6LF874；電容傳感器；PS02l；測試

    電容式傳感器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)城。但目前大部分電容測量方法集成化水平低、精度低，因而對電容特別是對微小電容的精確測量始終是一個(gè)很重要的內(nèi)容。振蕩法電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力差，板間內(nèi)電容影響測量結(jié)果；電橋法利用電橋平衡原理測量電容，測量結(jié)果受橋臂電容性能影響較大。本文用到美國Micmchip公司PICl6LF874單片機(jī)，該單片機(jī)采用RISC精簡指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)、流水線指令方式，具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、高性能、價(jià)格低等特性。

1 PICl6LF874單片機(jī)
    PICl6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(chǔ)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(dòng)能力、外圍模塊設(shè)計(jì)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(jià)比的單片機(jī)。
    PICl6LF874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(jì)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(shí)間。
    2)哈佛(Harvard)總線結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)，下一條指令同時(shí)被取出，使得在每個(gè)時(shí)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(shí)器和程序計(jì)數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，并且只需要一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(jì)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(jì)算機(jī)連接的接口電路。

    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(jì)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(shí)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。

4 系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)
    基于PS021設(shè)計(jì)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(chǔ)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(jì)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(tái)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(gè)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(jì)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。

5 試驗(yàn)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(shí)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(huì)超過25％(PS02l的極限值)。參考電容是一個(gè)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(shí)間密切相關(guān)，放電時(shí)間τ=0．7R(C+20 pF)，時(shí)間常數(shù)τ范圍為2～10μs(推薦5μs)。根據(jù)公式計(jì)算之放電電阻阻值。
    試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(yàn)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(jì)，使測量結(jié)果達(dá)到較高的精度；同時(shí)這種測量模塊可以減小電路板的體積，從而減小整個(gè)裝置的體積；大大簡化了電路設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果證明，此測量模塊具有較好的實(shí)用性。