基于电容检测芯片的电容检测系统设计

　　3 系统软件设计

　　系统软件包括单片机软件与上位机软件两部分。

　　3．1 单片机软件设计

　　采用IAR Assembler for MSP430集成开发环境，使用C语言编写了单片机部分的程序，主要包括系统初始化、测量芯片寄存器初始化、测量与数据传输等。单片机软件流程如图3所示。

　　单片机初始化包括单片机I／O初始化、串行口参数初始化、A／D转换器初始化，以及与上位机通信接收系统参数等。MS31lO初始化是通过单片机I／O对MS3110内部寄存器进行初始化，包括参考电容值、可调增益、初始电压等参数。采样开始后，单片机按照设定采样率进行采样；采样结束后，将数据经转换后传送给上位机进行处理、显示与存储。

　　3．2 上位机软件设计

　　采用VC++6．0软件和C++语言编写系统的上位机软件。软件功能主要包括设置参数，与下位机通信，数据实时图形化显示、存储和读取等。上位机软件界面如图4所示。

　　4 精度测试与分析

　　进行测试前，首先应对电路的初始输出进行校准。方法如下：将CSl、CS2设置为O，使用用高精度电压表对MS3110芯片输出电压进行测量，输出为O．497 192 V，将式(1)中的VREF修正为0．497192 V。

　　在电路板CS2IN位置上焊接一个1．8 pF多层陶瓷电容，用于模拟外部电容式传感器；芯片内部可调电容CS2由O逐步步进到342 fF，以模拟传感器电容的变化，步进值为19 fF。具体寄存器参数设置如下：CSl设为O，为CF设9．728 pF，可调增益GAIN设置为2，V2P25设为2．25 V，其他参数均取手册推荐值。通过实验测得，当CS2取O时，测量值为1．960 021 pF。与电容标称值的差异主要是由电容本身容差与电路的分步电容引起的。由式(1)可得：

CS2=(Vout-VREF)CF／(GAIN×V2P25×1．14) (2)

　　代入具体数值可得：

CS2=(Vout-0．497 192)×9．728／5．13 (3)

　　其中，Vout=(A／D采样值／4 095)×2．25。精度测试实验结果如表1所列(实测容值为10次测量的均值)。

　　测试结果表明，该电容式传感器检测系统具有较高的检测精度，平均误差仅为0．879 fF，最大绝对误差小于1．6 fF。由于MSP430F149集成的A／D转换器为12位，当CF取9．728 pF时，系统对电容的分辨率只有1．042fF。可见，A／D转换器的分辨率是制约检测精度的重要因素。在对系统进行改进时，可考虑采用更高位数的A／D转换器。

　　结语

　　本文基于电容检测芯片MS3110设计了一款电容式传感器检测系统，给出了设计要点和需要注意的问题。该系统具有较高的测试精度，可用于电容式传感器检测与研发。