PICl6LF874单片机在电容测量模块中的应用

摘要：为提高电容测量精度，针对电容式传感器的工作原理设计了基于PICl6LF874单片机电容测量模块。简单阐述了电容测量电路的应用背景和国内外研究现状，介绍了美国Microchip公司PICl6LF874单片机的特性。电容式传感器输出的动态微弱电容信号通过PS02l型电容数字转换器把模拟量数据转换成数字量数据，所测数据由PICl6LF874单片机应用程序进行处理、显示和保存。实验结果表明，固定电容标称值为lO～20 pF的测量值相对误差在l％以内，同时也可知被测电容容值越大，测量值和标称值相对误差越小。
关键词：PICl6LF874；电容传感器；PS02l；测试

    电容式传感器已广泛应用于工业、医学、军事等领城。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内容。振荡法电路结构简单、抗干扰能力差，板间内电容影响测量结果；电桥法利用电桥平衡原理测量电容，测量结果受桥臂电容性能影响较大。本文用到美国Micmchip公司PICl6LF874单片机，该单片机采用RISC精简指令集、哈佛总线结构、流水线指令方式，具有抗干扰能力强、功耗低、高性能、价格低等特性。

1 PICl6LF874单片机
    PICl6系列单片机采用精简指令集(Reduced Instruction Set Computer，RISC)结构，突破了传统单片机对PC机在结构上存在的自然依赖性；加上哈佛总线的存储器结构、两级流水线指令结构、单周期指令等技术，从而在单片机硬件结构上独辟蹊径，大大提高了系统运行的效率。除此之外，针对单片机机应用的特点，从功耗、驱动能力、外围模块设计等方面，PIC单片机也有一些独到之处，从而使得PIC成为一款方便实用的高性价比的单片机。
    PICl6LF874系列单片机包括一系列不同型号的器件。主要特点有：
    1)精简指令集技术 PIC指令系统是专门根据小型机特点设计的，力求每一条指令达到更高的效率，减少指令功能的重复。高中低档的门PIC单片机指令数分别为58条、35条和33条。这就带来了两方面的好处，一方面可以使代码的利用率大大提高，有利于提高执行速度。另一方面给用户学习、记忆和应用带来了极大的好处，编程和调试相对就更加容易，而且同样的功能所需的编码减少，节约了开发时间。
    2)哈佛(Harvard)总线结构 哈佛结构是程序存储器和数据存储器独立编址，即两者位于不同的物理空间。PIC系列单片机不仅采用哈佛体系结构，而且采用哈佛总线结构，从而充分发挥了哈佛结构的潜在优势。大大提升了系统的运行效率和数据可靠性。
    3)单字节指令 单字节指令对单片机系统是革新性的变化。高中低档的PIC单片机的指令位数分别为16位、14位、12位。ROM和RAM的寻址相对独立，所有的指令实现了单字节化，不仅使数据的存取更加安全，其运行速度也得到了显著的提高。
    4)两级流水线指令结构 由于采用了哈佛总线结构，在器件内部将数据总线和指令总线分离，并且采用了不同的总线宽度。当一条指令被执行时，下一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期可以获得更高的效率。
    5)寄存器组结构 PIC的所有寄存器，包括I／O端口、定时器和程序计数器等都采用RAM结构形式，并且只需要一个指令周期就可以完成访问和操作。
    6)一次性可编程(OTP)技术 OTP可以实现产品上市零等待(Zero time to market)，并且可以根据用户定制，满足特定需要。产品定制可以显著提高产品的生命周期，增强产品的市场竞争力。
    7)功耗低 供电电压为2．0～5．5V，当使用4 MHz晶振，供电电压为3V时，耗电电流典型值不超过6 mA：当用32 kHz晶振，供电电压力3 V时，耗电电流典型值为20 mA，睡眠模式耗电电流更是低于lμA。
    8)品种齐全、方便选择 PIC系列单片机目前已形成具有高、中、低3档共50多种型号的庞大家族，功能灵活多样，能适应多种应用场合的不同需要。

2 电容测量模块工作原理
    电容测量模块总体设计原理框图如图l所示，包括电源管理电路、PICl6LF874单片机、电容式传感器、信号调理电路、PS021电容数字转化器以及与计算机连接的接口电路。

    电容测量模块工作原理为：电容式传感器输出微弱的电容信号，电容信号通过信号调理电路。进入PS02l型电容数字转换器，该器件的测量电容测量范嗣从0到几十nF(无限制)，经过器件内部转换，通过对PS02l内部寄存器的设置，得到需要的值；通过SPI把数据传送到PICl6LF-874单片机，测得的数据再通过单片机异步串行通信接口USART送到上位机(计算机)，最后由上位机应用程序来显示测量结果以及保存测试数据。

3 系统硬件连接
    本测量电路需要控制器件来控制数据的读取和写入，选用结构简单，功能强大，并且兼容SPI串行接口的PICl6LF874单片机。由于PS02l的外围接口是SPI，因此单片机能很好的控制PS02l工作，同时测量数据可以通过USART串行接口送入到上位机中。单片机的连接如图2所示，PS02l的连接图如图3所示。

4 系统软件功能的实现
    基于PS021设计的应用软件包括检测、控制、数据处理、数据库管理和系统界面等程序。在程序运行速度和存储容量许可的条件下，尽量用软件实现传统仪器系统的硬件功能，简化硬件配置。此外，界面是测试系统和虚拟仪器的“窗口”，是系统显示功能信息的主要途径。软件设计不仅要实现功能，而且要界面美观。在确定测试系统的硬件平台后，关键是选择合适的软件开发工具编写相应的应用软件。以图形化编程语言开发该测试模块。该开发环境能提供一个集成的开发环境，与仪器硬件连接方便，具有良好的用户界面。根据上位机应用程序设计的原理，得到测试系统的软件，通过在软件的主界面设置一些参数，硬件电路和上位机相连，就能显示测量结果。测量结果在数据显示界面显示，如图4所示。

5 试验与结果
     运用上述软件测量。在测量之前，必须对测量系统进行标定，标定时PS02l要求参考电容Cref与被测电容Cmeas在同一电容值范围，即确保Cmeas／Cref比率不会超过25％(PS02l的极限值)。参考电容是一个非常重要的部分，对于测量的质量以及测量的温度稳定性有直接的影响。推荐的电容材料：CFCAP(太阳诱电Taiyo Yuden公司的多层陶瓷电容)系列，COG或者NPO陶瓷电容。放电电阻Rdis与放电时间密切相关，放电时间τ=0．7R(C+20 pF)，时间常数τ范围为2～10μs(推荐5μs)。根据公式计算之放电电阻阻值。
    试验中，分别选取1、2、3、5.1、6.8、8.2、9.1、12、13、15、16.5、18 pF的固定电容作为被测电容。根据被测电容的范围确定参考电容的大小，然后根据被测电容和参考电容值，并结合放电时间来确定放电电阻阻值，最后选择适当的测量模式进行测量。在标定好的系统下，在参考端和被测端分别接一只参考电容，此时在数据显示界面显示的值为参考电容值以及寄生电容值的和(图3中Sensor l显示的数据)；然后在被测端参考电容的基础上再并联被测电容，此时测得的数据为被测电容值、参考电容值以及寄生电容值的总和，以上两步所测值相减就是被测的电容值，最后得到的被测电容值统计如表l所示。

    表1反映了被测电容测量值和标称值之间的相对误差，同时也得知被测电容电容值越大，测量值和标称值相对误差越小。由于被测电容受到环境温度、焊锡量多少以及被测电容质量等因素的影响，存在一定的误差。通过多次测量进行平均，以获取更稳定的电容值。在标定好的系统下，对固定电容进行测量来验证测量模块的精确度，测量值和标称值非常接近，可认为被测电容标称值误差较小，进一步得知电容测量模块测量精度较高。

6 结束语
    PlCl6LF874单片机能够很好的控制电容测量模块，对研究电容式传感器有很好的促进作用，该单片机简化了电路设计，使测量结果达到较高的精度；同时这种测量模块可以减小电路板的体积，从而减小整个装置的体积；大大简化了电路设计过程、降低产品的开发难度、对加速产品的研制、降低生产成本具有非常重要的意义。实验结果证明，此测量模块具有较好的实用性。