基于AD7150微小电容测量方法的研究

赵军荣巍　毒　糍孽　磐　基　９Ｚ　馨　小里骞　星直ｉ劫　～　摘要：本文主要研究了一种新型的微小电容的测量方法，阐述了电容测量电路的应用背景和国内外研究现　状，针对电容式传感器的工作原理确定了测试电路。ＡＤ７１　５０是一种响应快速兼超低功耗的电容一数字转　换器，通过串行接口与微控制器连接，为电容式近程传感器的信号处理提供了一种全面的解决方案。　关键词：电容式传感器；电容；ＡＤ７１５０；测试　中图分类号：ＴＰ２７４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００６—８８３Ｘ（２０１Ｏ）Ｏ６—００３７—０４　刘双峰镰娟　一、引言　电容传感器广泛的应用于多种检测系统中，用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量，但目前　大部分电容测量方法集成化水平低、精度低，因而对电容特别是对微小电容的精确测量始终是一个很重要的　课题。在某些场合，传感电容的变化量往往仅有几个或几十个皮法大小，这就对电容测量电路提出了更高的　要求。　目前用于解决测量微小电容的方法主要有电荷转移法和交流法，这两种电路的基本测量原理是通过激励　信号连续对电容充放电，形成与被测电容成比例的电流或电压信号，从而测量出被测电容值。它们的共同缺　点是脉动噪声大，需使用滤波器及考虑相位补偿，电路结构相对复杂，成本也较高。本文提出的基于ＡＤ７１５０　电容数字变换器的电容测量电路，通过持续的对被测电容提供激励，不断的对被测电容电荷进行采样，经过　内部电荷调节器和数字滤波器的直接转化成数字信号，外部电路结构简单，稳定性好【】］。　二、测量模块　总体设计原理框图如图１所示，主要有电容式传　感器、电源管理电路、ＡＤ７１５０电容数字转化器、单片　机、接口电路几部分组成，通过计算机可以显示测量　结果以及保存测试数据。　电路工作原理为：通过芯片ＡＤ７１５０内部的激励　源对被测电容式传感器不断激励，电荷调节器不断的　采样，经过数字滤波器输出数字信号，通过对ＡＤ７１５０　内部寄存器的设置，得到需要的值，通过Ｉ２Ｃ接口把　数据传送到ＰＩＣ单片机，测得的数据通过单片机异步　串行通信接口ＵＳＡＲＴ送到计算机上，最后由计算机应用程序来显示测量结果。　三、ＡＤ７１５０简介　ＡＤ７１５０采用ＡＤＩ公司的电容。数字转换器（ＣＤＣ）技术，它是一种响应快速的超低功耗转换器【　。这种　２０１０，０６　ＳｅｎｓｏｒＷｏｒｉｄ　ｗｗｗ．￣ｒｗｏｄｄ．ｃｏｍ．ｅｎ　特写　技术集与实际传感器接口过程中起着重要作用的多种特色功　能于一身，如高输入灵敏度、较高的输入寄生接地电容和泄　漏电流容限。集成自适应式闽值算法可对因环境因素（如湿　度和温度）或绝缘材料老化而导致传感器电容发生的任何变　化进行补偿。ＡＤ７１５０具有内部可编程寄存器，通过编程来　决定它的工作模式，默认情况下，ＡＤ７１５０采用固定加电设　置以模式运行，并以两路数字输出显示检测结果。另外，　ＡＤ７１５０也可通过串行接口与微控制器连接，可通过用户自　定义设置对内部寄存器进行编程，数据和状态信息可从该器　件中读取。ＡＤ７１５０工作电源电压为２．７　Ｖ至３．６　Ｖ，额定温　度范围为．４０。Ｃ至＋８５。Ｃ。　传感器世　２０１０．０６　１、ＡＤ７１５０内部结构图和特性　ＡＤ７１５０的内部结构图如图２所示。　ＡＤ７１５０的特性主要有：　超低功耗：３．３　Ｖ，９０　ＬＬＡ　响应时间：１０ｍｓ　自适应环境补偿　两个的电容输入通道　测量范围：０～１４　ｐＦ　灵敏度０．８ｆＦ，ＥＭＣ￣Ｉｊ试　两种操作模式：固定设置模式，用户自定义设置　两个近程检测标志　２串行接口（ｉ２Ｃ）　工作温度范围为：．４０。Ｃ至＋１２５。Ｃ。　２、ＡＤ７１５０的测量原理　ＡＤ７１５０采用电容一数字转换器（ＣＤＣ）技术，转换器包　含一个二阶∑一Ａ（电荷平衡）调制器和一个三阶数字滤波器，　被测电容ｅ连接在激励源和二阶∑．△（电荷平衡）调制器之　间，在转换过程中，激励信号作用在被测电容　上，调制器　不断对被测电容Ｇ进行采样。数字滤波器对调制器的输出进　行处理，生成包含０和１的数据流。通过自适应式阈值算法　和输出比较器对数据进行处理，最后数据通过串行接口读出。　一般来讲对于电容值没有特殊的界限，电容传感器从接近零　皮法到十几皮法都可以被测量，图３为ＡＤ７１５０简化功能框　图。　四、ＡＤ７１５０硬件连接及串行接口　ＡＤ７１５０的通讯符合Ｉ２Ｃ接口控制与数据传输过程。本测　量电路需要控制芯片来控制数据的读取和写入，ＭＳＰ４３０系　列单片机结构简单，功能强大，并且ＭＳＰ４３０Ｆ１６Ｘ兼容Ｉ２Ｃ　串行接口，在电路中选用ＭＳＰ４３０Ｆ１６９单片机，这样单片机　就能很好的控制ＡＤ７１５０的工作，以及把数据通过Ｉ２Ｃ串行　接口把数据送入到上位机中『３】。单片机的连接如图４所示。　ＡＤ７１５０支持两线的Ｉ２Ｃ串行通信，即时钟线（ＳＣＬ）和　数据线（ＳＤＡ）它们携带了与外围设备总线连接的所有地址、　控制和数据信息。数据线传输数据，时钟线使得数据接收端　与发送端保持同步。总线设备分为主设备和从设备，发送数　据的一方称为主设备，接收和响应的一方称为从设备【４】。要　控制ＡＤ７１５０总线，必须遵循以下规则：　首先，主设备创建一个开始条件，即保持时钟线为高电　平，下降沿触发。总线触发后紧跟一个８位的开始字节（７　个的地址位和一个　ｗ位），连接总线的外围设备在开始条　囊　鬈霞磐　蟋翁馥　／／等待地址应答位，判断　ｒｅａｄ　Ｉ２ＣＤＲＢ；　＿　ｒｅｔｕｒｎ（ｒｅａｄ）；　｝　当选中了写操作时，在开　始字节之后总是寄存器地址指　针。地址指针指向一个　ＡＤ７１５０内部寄存器，地址指　针字节会自动加载到地址指针　件和第一个字节传送完后开始响应，先接收ＭＳＢ。　寄存器并由ＡＤ７１５０发出响应　其次，在第９个时钟脉冲时拉低数据线，外围设备识别　地址响应。称为响应允许位（如图５所示）。其它设备退出总　线保持空闲状态。在空闲状态下，外围设备监视数据和时钟　线，等待起始条件和正确的地址位。　ｗ位决定数据的传输　方向，　ｗ位为０时表示主设备写数据到外围设备地址，此　时ＡＤ７１５０为从接收设备，Ｒ／ｗ位为１时表示主设备从外围　地址读数据。此时ＡＤ７１５０为从发送设备。在所有情况下，　串行总线中的ＡＤ７１５０都是从设备。　允许。响应允许后，产生一停止条件，然后重新启动，或从　主设备发出令一个数据字节。停止条件为在ＳＣＬ保持高电平　时ＳＤＡ产生一个由低到高的电平。如果ＡＤ７１５０遇到停止条　件时，它会返回空闲状态并且地址指针返回到ＯＸＯ０地址的　位置。如果寄存器地址字节之后发送一个数据字节，ＡＤ７１５０　将此字节通过地址指针寄存器写入到当前地址。地址指针自　动增数器自动指向下一个内部寄存器地址。因此，随后的数　据字节就按地址递增的顺序发送，具体程序如下：　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　Ｉ２ｃＷｒｉｔｅＳｔｒ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　Ｄａｔａ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ　五、ＡＤ７１５０的读与写　在开始字节中选中了读操作，当前地址指针所指的寄存　器地址通过ＡＤ７１５０传输到数据线上。等待主设备时钟与响　应允许。如果主设备响应允许，地址自动递增器自动递增寄　ｃｈａｒｎＵｌＴＩ）　｛　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｔｅｍｐｎｕｍ，ｎｕｍｉ；　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｃ；　ｔｅｍｐｎｕｍ　ｎｕｎ＇ｌ一１；　存器的地址指针，并输出下一个寄存器的内容到ＳＤＡ线上。　如果主设备没有响应允许，ＡＤ７１５０返回空闲状态，地址指　针不增加。该地址指针自增器允许块数据写入和读开始地址　ｆｏｒ（ｎｕｍｉ＝０；ｎｕｍｉ＜ｔｅｍｐｎｕｍ；ｎｕｍｉ＋＋１　ｆ　ｗｈｉｌｅ（（Ｉ２ＣＩＦＧ＆ＴＸＲＤＹＩＦＧ）！＝ＴＸＲＤＹＩＦＧ）；　／／检测发送准备　与后来自增地址。在连续转换模式下，地址指针自增器被用　于读取一个转换结果，这就意味着两字节的数据由一个多字　节的数据读取，而不是由两个单独的数据字节读取。单字节　数据读处理会导致两字节数据混淆情况的发生。具体程序如　下：　Ｉ２ＣＤＲＢ＝ｃ；　／／写发送寄存器　ｗｈｉｌｅ（（Ｉ２ＣＩＦＧ＆０ｘ０２）＝＝ＮＡＣＫＩＦＧ）　｜｜等　数　诲矗答　｝　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　Ｉ２ｃＲｅａｄＳｔｒ（ｖｏｉｄ）　｛　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｒｅａｄ；　Ｉ２ＣＴＣＴＬ｛＝Ｉ２ＣＳＴＰ；　／／无应答，结束总线　ｒｅｔｕｒｎ（Ｏ）；　｝　ＤｅｌａｙＴｉｍｅ１０ｕｓ（１５）；　如果地址指针字节后再出现一个开始条件，总线上的外　围设备和以前的初始条件一样响应。也就是说，一个再开始　条件和开始条件作一样的处理。当主设备发送一个停止条件　时，主设备放弃总线控制，此时，允许另一主设备控制总线。　因此，主设备要想持续控制总线，就要持续的发送开始条件　ＵＯＣＴＬ　Ｉ＝ＭＳＴ；　／／主模式　ｗｈｉｌｅ（Ｉ２ＣＢＵＳＹ＆Ｉ２ＣＤＣＴＬ）；　／／Ｉ２Ｃ　ｒｅａｄｙ？在空闲状态：０，空闲：１：忙　Ｉ２ＣＴＣＴＬＩ＝Ｉ２ＣＳＴＴ＋Ｉ２ＣＳＴＰ；　／／Ｉ２ＣＲＭ＝０：Ｒｅｃｅｉｖｅ，ＳＴ，ＳＰ（ｃｌｅａｒｓ　ＭＳＴ）　ｗｈｉｌｅ（（Ｉ２ＣＩＦＧ＆ＲＸＲＤＹＩＦＧ）Ｉ＿ＲＸＲＤＹＩＦＧ）；　作为再开始条件。　我们也可以不用更新所有的寄存器来存取单独的寄存器　２０１０，０６　ＳｅｎｓｏｒＷｏｒｌｄ　瞬ｖｖ∞ｎｓ０　棚∞Ｏ衲．黼　特写　内容。但是地址指针寄存器的内容不能够读取。如果存取不　正确的地址指针位置或自动递增器超过所需寄存器的地址，　就应该遵循下面规则。在读模式下，如果主设备不发出不允　许、开始或停止条件时，ＡＤ７１５０就持续的发送寄存器内容，　在～个读操作结束的时候，停止条件使得地址指针自增器重　新恢复到０Ｘ００地址的位置。这就使得状态寄存器不断的从　０Ｘ００地址读取，而不必经常的写地址指针。在写模式下，错　误地址的数据是不会写到ＡＤ７１５０寄存器中，但是ＡＤ７１５０　可以发出响应允许信号。　六、电容数据的处理　完整的电容．数字转换结果反映了输入的电容值，ＣＤＣ　的结果是一个１６位的数据，取ＣＤＣ结果的最高有效１２位。　取低４位为０。ＡＤ７１５０传递函数反映电容量程的代码如表１　所示。　Ｄａｔａ　Ｉｎｐｕｔ　Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　０ｘ００００　Ｎｏｔ　ｖａｌｉｄ，ｕｎｄｅ￣ａｎｇｅ　０ｘ３０００　Ｚｅｒｏ—ｓｃａｌｅ（０ｐＦ）　０ｘ８０００　Ｍｉｄ—ｓｃａｌｅ（＋ｌｐＦ）　０ｘＣＦＦ０　Ｆｕｌｌ—ｓｃａｌｅ（＋２ｐＦ）　０ｘＦＦＦ０　Ｎｏｔ　ｖａｌｉｄ．ｏｖｅ￣ａｎｇｅ　输入电容可以通过下式得到：　ｃ（ｐＦ）＝—Ｄａｔａ　－１２２８８×却ｕｔＲａ　或：ｃ（ｐＦ）：—Ｄａｔａ－Ｏｘ３０００…０—×Ｉｎｐｕｔｘ９ＦＦ０　口，ｚｇＰ　其　ＩｎｐｕｔＲａｎｇｅ　４ｐＦ，２ＰＦ，ｌｐＦ，０．５ｐＦ。　七、结束语　本文对基于ＡＤ７１５０微小电容测量方法做了比较详细的　介绍与分析，给出了电路设计要点，同时详细介绍了ＡＤ７１５０　的工作原理和Ｉ２Ｃ数据传输中应注意的读写问题。目前，国内　对于ＡＤ７１５０的开发还需做更进一步的研究，以期获得定量的　实验结果。随着ＭＥＭＳ得进一步发展，基于ＡＤ７１５０电容式传　感器的研发必将在工业等领域获得更好的应用前景。　参考文献　【１】Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｕｌｔｒａ　Ｌｏｗ　Ｐｏｗｅｒ，２　Ｃｈａｎｎｅｌ，Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　传落器世界２０１０：０６　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ　Ｓｅｎｓｉｎｇ［Ｚ］．２００６　（２］美国模拟器件公司．电容测量ＡＤ７１５０数据手册［ｚ］．２００６　［３］沈建华，杨艳琴，翟骁曙．ＭＳＰ４３０系列１６位超低功耗单片机实践　与系统设计［Ｍ］．北京：清华大学版社，２００４．１１．　【４］何立民．Ｉ。ｃ总线应用系统设计［Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版　社，１９９５．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａ　ｍｉｃｒｏ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＤ７１５０　ＺＨＡＯ　Ｊｕｎ—ｒｏｎｇ，ＬＩＵ　Ｓｈｕａｎｇ—ｆｅｎｇ　（Ｋｅｙ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｎｏｒｔｈ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ，０３００５１，　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｍｉｃｒｏ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｆｒｏｍ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ—ｔｙｐｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｆｏｒｅｉｇｎ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｒｅ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｄ．　Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ・ｔｙｐｅ　ｓｅｎｓｏｒ，ａｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＤ７　１　５０．ＡＤ７　１　５０　ｉｓ　ａ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ—ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｈｔ　ｆａｓｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｕｌｔｒａ—ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔ．Ｔｈｅ　ＡＤ７　１　５０　ｄｅｌｉｖｅｒｓ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ　ｓｅｎｓｏｒｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ—ｔｙｐｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｃａｐａｃｉｔｏｒ；ＡＤ７　１　５０；ｔｅｓｔｉｎｇ　作者简介：　赵军荣，中北大学信息与通信工程学院硕士研究生，主要研　究方向：新型传感器。　通信地址：山西省太原市学院路３号中北大学４５５信箱　邮编：０３００５１　Ｅｍａｉｌ：ｚｈｊｕｒｏｎｇ＠１６３．ｃｏｍ　刘双峰，中北大学副教授，研究方向：新型传感器。　读者服务卡编号０ｌ１口