基于PlCl6LF874單片機的電容測量模塊設計

　　電容式傳感器已廣泛應用于工業(yè)、醫學(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)很重要的內容。振蕩法電路結構簡(jiǎn)單、抗干擾能力差，板間內電容影響測量結果;電橋法利用電橋平衡原理測量電容，測量結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，該單片機采用RISC精簡(jiǎn)指令集、哈佛總線(xiàn)結構、流水線(xiàn)指令方式，具有抗干擾能力強、功耗低、高性能、價(jià)格低等特性。

　　1 PICl6LF874單片機

　　PICl6系列單片機采用精簡(jiǎn)指令集(Reduced InstrucTIon Set Computer，RISC)結構，突破了傳統單片機對PC機在結構上存在的自然依賴(lài)性;加上哈佛總線(xiàn)的存儲器結構、兩級流水線(xiàn)指令結構、單周期指令等技術(shù)，從而在單片機硬件結構上獨辟蹊徑，大大提高了系統運行的效率。除此之外，針對單片機機應用的特點(diǎn)，從功耗、驅動(dòng)能力、外圍模塊設計等方面，PIC單片機也有一些獨到之處，從而使得PIC成為一款方便實(shí)用的高性?xún)r(jià)比的單片機。

　　PICl6LF874系列單片機包括一系列不同型號的器件。主要特點(diǎn)有：

　　1)精簡(jiǎn)指令集技術(shù) PIC指令系統是專(zhuān)門(mén)根據小型機特點(diǎn)設計的，力求每一條指令達到更高的效率，減少指令功能的重復。高中低檔的門(mén)PIC單片機指令數分別為58條、35條和 33條。這就帶來(lái)了兩方面的好處，一方面可以使代碼的利用率大大提高，有利于提高執行速度。另一方面給用戶(hù)學(xué)習、記憶和應用帶來(lái)了極大的好處，編程和調試相對就更加容易，而且同樣的功能所需的編碼減少，節約了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　2)哈佛(Harvard)總線(xiàn)結構 哈佛結構是程序存儲器和數據存儲器獨立編址，即兩者位于不同的物理空間。PIC系列單片機不僅采用哈佛體系結構，而且采用哈佛總線(xiàn)結構，從而充分發(fā)揮了哈佛結構的潛在優(yōu)勢。大大提升了系統的運行效率和數據可靠性。

　　3)單字節指令 單字節指令對單片機系統是革新性的變化。高中低檔的PIC單片機的指令位數分別為16位、14位、12位。ROM和RAM的尋址相對獨立，所有的指令實(shí)現了單字節化，不僅使數據的存取更加安全，其運行速度也得到了顯著(zhù)的提高。

　　4)兩級流水線(xiàn)指令結構 由于采用了哈佛總線(xiàn)結構，在器件內部將數據總線(xiàn)和指令總線(xiàn)分離，并且采用了不同的總線(xiàn)寬度。當一條指令被執行時(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)寄存器組結構 PIC的所有寄存器，包括I/O端口、定時(shí)器和程序計數器等都采用RAM結構形式，并且只需要一個(gè)指令周期就可以完成訪(fǎng)問(wèn)和操作。

　　6)一次性可編程(OTP)技術(shù) OTP可以實(shí)現產(chǎn)品上市零等待(Zero time to market)，并且可以根據用戶(hù)定制，滿(mǎn)足特定需要。產(chǎn)品定制可以顯著(zhù)提高產(chǎn)品的生命周期，增強產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。

　　7)功耗低 供電電壓為2.0～5.5V，當使用4 MHz晶振，供電電壓為3V時(shí)，耗電電流典型值不超過(guò)6 mA：當用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，能適應多種應用場(chǎng)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計原理框圖如圖l所示，包括電源管理電路、PICl6LF874單片機、電容式傳感器、信號調理電路、PS021電容數字轉化器以及與計算機連接的接口電路。

　　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(guò)信號調理電路。進(jìn)入PS02l型電容數字轉換器，該器件的測量電容測量范嗣從0到幾十nF(無(wú)限制)，經(jīng)過(guò)器件內部轉換，通過(guò)對PS02l內部寄存器的設置，得到需要的值;通過(guò)SPI把數據傳送到PICl6LF-874單片機，測得的數據再通過(guò)單片機異步串行通信接口USART送到上位機(計算機)，最后由上位機應用程序來(lái)顯示測量結果以及保存測試數據。

　　3 系統硬件連接

　　本測量電路需要控制器件來(lái)控制數據的讀取和寫(xiě)入，選用結構簡(jiǎn)單，功能強大，并且兼容SPI串行接口的PICl6LF874單片機。由于PS02l的外圍接口是SPI，因此單片機能很好的控制PS02l工作，同時(shí)測量數據可以通過(guò)USART串行接口送入到上位機中。單片機的連接如圖2所示，PS02l的連接圖如圖3所示。

　　4 系統軟件功能的實(shí)現

　　基于PS021設計的應用軟件包括檢測、控制、數據處理、數據庫管理和系統界面等程序。在程序運行速度和存儲容量許可的條件下，盡量用軟件實(shí)現傳統儀器系統的硬件功能，簡(jiǎn)化硬件配置。此外，界面是測試系統和虛擬儀器的“窗口”，是系統顯示功能信息的主要途徑。軟件設計不僅要實(shí)現功能，而且要界面美觀(guān)。在確定測試系統的硬件平臺后，關(guān)鍵是選擇合適的軟件開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)相應的應用軟件。以圖形化編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)該測試模塊。該開(kāi)發(fā)環(huán)境能提供一個(gè)集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，與儀器硬件連接方便，具有良好的用戶(hù)界面。根據上位機應用程序設計的原理，得到測試系統的軟件，通過(guò)在軟件的主界面設置一些參數，硬件電路和上位機相連，就能顯示測量結果。測量結果在數據顯示界面顯示，如圖4所示。

　　5 試驗與結果

　　運用上述軟件測量。在測量之前，必須對測量系統進(jìn)行標定，標定時(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(guò)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定性有直接的影響。推薦的電容材料：CFCAP(太陽(yáng)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τ范圍為2～10μs(推薦5μs)。根據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。根據被測電容的范圍確定參考電容的大小，然后根據被測電容和參考電容值，并結合放電時(shí)間來(lái)確定放電電阻阻值，最后選擇適當的測量模式進(jìn)行測量。在標定好的系統下，在參考端和被測端分別接一只參考電容，此時(shí)在數據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顯示的數據);然后在被測端參考電容的基礎上再并聯(lián)被測電容，此時(shí)測得的數據為被測電容值、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計如表l所示。

　　表1反映了被測電容測量值和標稱(chēng)值之間的相對誤差，同時(shí)也得知被測電容電容值越大，測量值和標稱(chēng)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(guò)多次測量進(jìn)行平均，以獲取更穩定的電容值。在標定好的系統下，對固定電容進(jìn)行測量來(lái)驗證測量模塊的精確度，測量值和標稱(chēng)值非常接近，可認為被測電容標稱(chēng)值誤差較小，進(jìn)一步得知電容測量模塊測量精度較高。

　　6 結束語(yǔ)

　　PlCl6LF874單片機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，該單片機簡(jiǎn)化了電路設計，使測量結果達到較高的精度;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(jiǎn)化了電路設計過(guò)程、降低產(chǎn)品的開(kāi)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)驗結果證明，此測量模塊具有較好的實(shí)用性。