基于CDC與ARM的微位移電容傳感信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

程建新，趙 濤，王志剛

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng)471009;2.解放軍信息工程大學(xué)，河南 鄭州450002)

0 引 言

電容式位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、分辨率高、非接觸測(cè)量、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中［1］。電容式傳感器的輸出信號(hào)比較微弱，一般只有幾pF，甚至pF 以下，要檢測(cè)如此微弱的電容變化，傳感器的檢測(cè)電路的精度和穩(wěn)定度就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的電容檢測(cè)方法，如諧振電路法、開(kāi)關(guān)電容法、AC 電橋法和運(yùn)算放大器檢測(cè)法等，均為分立電路，存在一定的不穩(wěn)定性和離散性，電路性能比較低［2，3］。

另外，電容傳感器在使用過(guò)程中，極易受到各種寄生電容、雜散電容的干擾，如何使傳感器的輸出信號(hào)正確地反映被測(cè)量，關(guān)鍵在于傳感器的信號(hào)提取和處理電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了以電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7745 和高性能ARM 微控制器為核心的電容傳感信號(hào)測(cè)試電路，完成微小電容傳感信號(hào)的檢測(cè)。AD7745 是ADI 公司推出的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，該芯片采用 CDC (capacitance－to－digital converter)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將檢測(cè)的傳感器信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，輸出的數(shù)字量通過(guò)I2C 總線(xiàn)傳送到超低功耗的ARM 微處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好，解決了傳統(tǒng)分立電路的限制。

1 硬件檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

信號(hào)檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，系統(tǒng)包括電容信號(hào)采集模塊、MCULPC2148模塊、穩(wěn)壓模塊、I2C及串行口接口模塊、JTAG 接口模塊。

圖1 系統(tǒng)硬件總體框圖Fig 1 Overall block diagram of system hardware

電容信號(hào)的采集是通過(guò)高精度電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7745 來(lái)完成的，AD7745 將模擬的電容信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后，將該數(shù)字量通過(guò)I2C 總線(xiàn)傳到微控制器LPC2148 中進(jìn)行處理。LPC2148 信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)接收信號(hào)采集模塊的電容信號(hào)，并進(jìn)行濾波和數(shù)值轉(zhuǎn)換。處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232 串口送到上位機(jī)，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理由上位機(jī)完成，從而完成數(shù)據(jù)的標(biāo)定和傳感器性能的分析。

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了變極距型電容傳感器對(duì)被測(cè)物微位移進(jìn)行檢測(cè)，傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。極板1 為電容式位移傳感器探頭，極板2 為被測(cè)物，當(dāng)極板2 受被測(cè)物體作用產(chǎn)生位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離d。當(dāng)極板面積S 固定時(shí)，板間電容C 與板間距離d 呈反比關(guān)系，即隨著板間距離的增大板間電容減小;反之，則板間電容增大。通過(guò)測(cè)量電容的變化，從而得到平行板電容器板間距離的變化。

圖2 電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structural schematic diagram of capacitive sensor

若極板面積為S，極板間為空氣介質(zhì)，極板初始間距d0，則初始電容量 C0為

式中 εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，ε0為真空的介電常數(shù)。如果電容器極板間距由初始值d0減小Δd，則電容量增大ΔC，則

則電容的相對(duì)變化為

當(dāng)Δd/d0≤1 時(shí)，式(3)在誤差允許的范圍內(nèi)，可得到近似的線(xiàn)性關(guān)系

電容傳感器的靜態(tài)靈敏度為

1.2 電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7745

AD7745［4，5］的核心是一個(gè)低功耗、高精度的轉(zhuǎn)換器，由1 個(gè)二階調(diào)制器和1 個(gè)三階數(shù)字濾波器構(gòu)成。AD7745 可以配置成一個(gè)電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，也可以配置成一個(gè)經(jīng)典的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。除了轉(zhuǎn)換器外，AD7745 集成了1 個(gè)多路復(fù)用器、1 個(gè)激勵(lì)源和電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CAPDAC)作為電容的輸入、1 個(gè)溫度傳感器、1 個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器、1 個(gè)控制校正邏輯、I2C 接口。AD7745 的功能框圖如圖3所示。

圖3 AD7745 功能方框圖Fig 3 Functional block diagram of AD7745

AD7745 的測(cè)量原理為:在激勵(lì)源和∑－Δ 調(diào)制器的輸入端連接被測(cè)電容Cx;測(cè)量時(shí)，由激勵(lì)源發(fā)出方波激勵(lì)信號(hào)，調(diào)制器不斷對(duì)通過(guò)電容Cx的電荷采樣，并輸出二進(jìn)制數(shù)字流;測(cè)量完成時(shí)，由數(shù)字濾波器對(duì)調(diào)制器的輸出進(jìn)行校正處理，最終結(jié)果通過(guò)I2C 串行總線(xiàn)口輸出。

AD7745 采用了 ADI 的高精度∑－Δ 技術(shù)，同時(shí)結(jié)合了24bit 解決方案。AD7745 具有5 aF/Hz 的低噪聲性能和不大于1 mA 的低功耗特性。AD7745 的分辨率為4 aF，精確度為4 fF，線(xiàn)性度為0.01%。AD7745 支持I2C 兼容二線(xiàn)串行接口，I2C 總線(xiàn)上的2 根線(xiàn)是SCL(時(shí)鐘)和SDA(數(shù)據(jù))，所有的地址、控制和數(shù)據(jù)信息都通過(guò)這2 根線(xiàn)進(jìn)行傳輸。

1.3 ARM 微控制單元

信號(hào)處理模塊是電路設(shè)計(jì)的核心，協(xié)調(diào)電路的各個(gè)部分。LPC2148 微控制器作為信號(hào)處理模塊的核心，也是整個(gè)硬件電路的核心，控制著整個(gè)電路的工作。Philips 的LPC2148 是 Philips 的 LPC2000 系列 ARM［6］微處理器中性能最為強(qiáng)大的一種，LPC2000 系列ARM 微處理器是采用ARM7TDMI-S 內(nèi)核的 32 位嵌入式微處理器。LPC2148 具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點(diǎn)，且內(nèi)部使用大量寄存器，指令執(zhí)行速度快，尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高。LPC2148 內(nèi)部有 2 個(gè)共 14 通道的 10 位 ADC 輸入，1 個(gè)10 位的 DAC 輸出，40 kB 的 RAM(8 kB 主要供 USBDMA 使用)，256 kB 的 FLASH。片上集成了 SPI，I2C ，UART，MODEN，USB 等接口，工作電壓3.0～3.6 V。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件調(diào)試主要是運(yùn)用ADS1.2 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序的編譯器，對(duì)軟件進(jìn)行語(yǔ)法錯(cuò)誤檢查，并用ARM 系列專(zhuān)用擴(kuò)展調(diào)試器AXD 進(jìn)行調(diào)試。AXD 調(diào)試器，包括ADW/ADU的所有特性，支持硬件仿真和軟件仿真。AXD 能夠裝載映像文件到目標(biāo)內(nèi)存，具有單步、全速和斷點(diǎn)等調(diào)試功能，可以觀察變量、寄存器和內(nèi)存的數(shù)據(jù)等。電路的各種具體功能主要由如下幾個(gè)部分構(gòu)成:片內(nèi)外設(shè)初始化程序、I2C 總線(xiàn)通信程序、數(shù)據(jù)處理程序、串口通信程序。電路程序流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖Fig 4 Flow chart of main program

系統(tǒng)接通電源后，ARM 經(jīng)過(guò)復(fù)位后，進(jìn)行一系列的初始化，完成對(duì)AD7745 內(nèi)部寄存器等的配置;接著AD7745開(kāi)始電容轉(zhuǎn)換，并將采集到的電容數(shù)字量通過(guò)I2C 總線(xiàn)傳送到LPC2148 芯片。從AD7745 接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)是一個(gè)24 位數(shù)值信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換為表示電容值大小的十進(jìn)制值。為了能夠使PC 上可以直觀地看到所測(cè)電容的大小，將電容的大小以字符串的形式發(fā)送到PC，這樣在PC 上不需要專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)處理就能看到電容大小。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

AD7745 芯片內(nèi)部可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的32 kHz 的方波，將方波加載到探測(cè)頭上，探測(cè)頭的另一端接到CIN1，即可實(shí)現(xiàn)電容值的采樣。實(shí)驗(yàn)通過(guò)檢測(cè)變極距型電容傳感器的電容信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物微位移的檢測(cè)。

將所測(cè)傳感器接入測(cè)試端口，接通電源，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送的到PC 上，實(shí)現(xiàn)在PC 上實(shí)時(shí)查看測(cè)量值。寄存器內(nèi)的測(cè)量值的高17 位都是基本穩(wěn)定的，可得檢測(cè)電路的精度可達(dá)到6.25 ×10－5pF。以進(jìn)給量為1 mm，在同一位移下進(jìn)行多次測(cè)量，取相應(yīng)的位移值，對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 測(cè)量結(jié)果Tab 1 Measuremental results

由表1 可見(jiàn)，隨著測(cè)量位移的增大，測(cè)量的相對(duì)誤差就越小。使傳感器的位移從0 mm 增大到60 mm，進(jìn)給量為1 mm，測(cè)量的電容從2.243 pF 增大到3.251 pF，測(cè)量電容與位移的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5 所示。

圖5 測(cè)量的電容與位移的關(guān)系曲線(xiàn)Fig 5 Relationship curve of measured capacitance and displacement

由圖5 可見(jiàn)，隨著測(cè)量距離的增大，測(cè)量電容也隨之增大，傳感器輸出的具有很好的線(xiàn)性度，重復(fù)性很好。位移變化1 mm 時(shí)，電容的變化量為0.087 pF，因此，電路的位移測(cè)量分辨率為0.72 μm。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了以電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片AD7745 和信號(hào)處理芯片LPC2148 為核心的傳感器信號(hào)測(cè)試電路。AD7745 直接將微弱的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)而非電壓信號(hào)，省去了還要進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換的麻煩，提高了精確度，減小了噪聲干擾。AD7745 芯片與一些外圍電路集成在一片PCB 板上，以降低環(huán)境中的寄生電容和分布電容的干擾。AD7745 通過(guò)I2C 總線(xiàn)將電容數(shù)字信號(hào)傳遞到LPC2148 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理。處理后的信號(hào)通過(guò)RS-232 總線(xiàn)傳遞到上位機(jī)進(jìn)行顯示或者儲(chǔ)存。而且電路還預(yù)留了JTAG 調(diào)試端口，可隨時(shí)對(duì)MCU 的狀態(tài)進(jìn)行觀察和修改，不斷完善電路的功能和性能。

［1］ 單成祥.傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

［2］ 孫立寧，晏祖根，陳立國(guó).電容式微位移傳感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械與電子，2005，1(1):33 －35.

［3］ 洪 躍，金士良，姜曉峰.新型微位移電容式傳感器的研制［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，12(1):653 －657.

［4］ AD7745/AD7746 Datasheet［M］.USA:Analog Device Inc，2005:9.

［5］ 梁 勝，黃昭洪，李欣慧.基于AD7745 的無(wú)接觸電容式角度傳感器的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(12):94 －96.

［6］ 趙星寒.ARM 開(kāi)發(fā)工具 ADS 原理與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006:45 －115.