龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 基于 PCAP01 的高精度电容测量 作者：付洁 赵晴 杨凯文 刘书萌 来源：《物联网技术》2014 年第 02 期 摘 要：电容测量技术在电子产品制造和维修中有着重要的意义及广泛的应用，文中提出 了基于 PCAP01 单芯片方案的电容检测系统，给出了以单片机 MSP430F149 为核心的高精度电 容测量系统的软硬件架构，该系统可实现高精度的电容测量。 关键词：电容测量；PCAP01；MSP430F149 中图分类号：TP368 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0027-03 0 引 言 对于电容传感器的测量来说，传统的电路方式有其无法克服的局限性。复杂的模拟电路设 计，难以扩展的电容测量范围，都会给开发带来非常大的阻力。针对这一问题，我们设计了以 带有内部 DSP 单片机的 PCAP01 为电容测量芯片的检测系统，该芯片会使电容测量提高到一 个前所未有的水平。 1 总体设计 电容式传感器的检测方法主要有：设计专用 ASIC 芯片；使用分立元件通过电容桥、频率 测量等原理实现测量；使用通用电容检测芯片将电容转换为电压或其他量[1]；新型的微弱电 容测量电路等[2]。从技术难度、测量精度等多方面考虑[3]，本系统采用电容数字转换单芯片 来完成对电容式传感器的检测，系统结构框图如图 1 所示。电容测量芯片选用德国 ACAM 公 司的单芯片 PCAP01[4]。这颗芯片测量范围覆盖了从几 fF 到几百 nF，而且可以非常简单地通 过配置来满足各种不同应用的需求。单片机 MSP430F149 通过 I/O 端口对 PCAP01 内部寄存器 进行配置，其通信方式为 SPI 串行通信。测量数据最终通过 RS232 串口传送到上位机进行处 理、实时显示、存储等。上位机由普通微机构成。 图 1 系统结构框图 2 系统硬件设计 2.1 MSP430F149 简介 最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成的，主要包括电源电路、时钟电 路、复位电路、通信接口电路、数据存储电路。单片机 MSP430F149 的特点有：低功耗、强大 的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式、多种存储器形式、适应工业级运行 环境等。基于 MSP430F149 的通信接口电路原理图如图 2 所示。 

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 2.2 PCAP01 简介及硬件原理图 PCAP01 为带有单片机处理单元的一款专门进行电容测量的电容数字转换单芯片方案。 PCAP01 既适合超低功耗（最低至几个 uA）的测量，也适合高精度（达到 21 位有效位）的高 性能测量，还可以进行最高达 50 万次/秒的快速测量。这颗芯片提供了对于高精度测量、低功 耗测量以及快速测量应用的完美结合。传感器数据可以在芯片内部进行现行校准，然后通过 SPI 或者 I2C 数据串行接口传送。另外，芯片还可以通过 IO 口来发送 PWM/PDM 输出电压信 号。其余的 IO 口可以作为中断管脚，水平报警信号管脚或者普通 IO 口来应用。 PCAP01 的具体硬件原理图如图 3 所示，本方案采用单一传感器漂移模式，最多可接 3 个 传感器 P1、P2、P3 和一个参考电容，输出的方式为 SPI 串行通信方式，整体电路设计简单， 所需元器件数量比较少。 3 系统软件设计 系统软件主要分为单片机软件与上位机软件两部分。 3.1 单片机软件设计 我们采用 IAR Assembler for MSP430 集成开发环境，使用 C 语言编写了单片机部分的开发 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。其基本流程如图 4 所示。 图 4 测量基本流程 首先，单片机接收 RS232 发送来的指令就开始执行，接下来将标准固件和配置信息分别 写到 PCAP01 芯片的 RAM 和寄存器中，然后开始测量，并返回测量获得的相对值，之后进行 数据处理获得实际值并存储显示，其中，PCAP01 芯片开始测量电容的具体实现代码如下： void StartPCap01（void） { SendSPI8（0x8A）； //SendSPI8 函数功能是为 SPI 端口发送 8 位数据 //部分复位命令 SendSPI8（0x8C）； //开始测量命令 delayMS（5）； //等待 100 ms Reg8 = ReadRegSPI（8）； // ReadRegSPI 函数功能是读取 SPI 端口接收的数据 

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn //读取状态寄存器 8 if（（Reg8 == 0x100000） | （Reg8 == 0x900000）） { Reg1 = ReadRegSPI（0x1）； //读取结果寄存器 1 Reg2 = ReadRegSPI（0x2）； //读取结果寄存器 2 Flag_BoardR_PCAP = 1； SDat[0] = 0xCC； // SDat 为指向要发送的数据 SDat[1] = Reg1>>16 & 0xFF； SDat[2] = Reg1>>8 & 0xFF； SDat[3] = Reg1 & 0xFF； SDat[4] = Reg2>>16 & 0xFF； SDat[5] = Reg2>>8 & 0xFF； SDat[6] = Reg2 & 0xFF； SendLen = 7； } else { Flag_BoardR_PCAP = 0； Reg1 = 0； } } 3.2 上位机软件设计 

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 采用 VS2008 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。上位机软件界面设计如图 5 所示，测量效果 显示的精度能够达到 pF 级。 图 5 上位机软件界面 4 精度测试分析 在电容测量当中，导线的寄生电容对于整个测量的影响是不能忽略的。尤其当导线较长的 情况下，导线寄生电容的影响会对测量结果有致命的影响。在 PCAP01 当中，可以对传感器的 导线寄生电容进行有效补偿。对于高稳定性高精度的测量，我们使用连接传感器为漂移模式， 来进行完全补偿。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。 5 结 语 综上所述，PCAP01 单芯片方案使整体设计变得更加简单[5]，电容测量性能更加优越和可 靠，革新的单芯片电路以及可以自由选择的带有不同补偿方式的固件如线性补偿，不仅仅提升 了电路测量的水平，同时也进一步提高了传感器本身的测量性能，使得测量精度达到较高水 准。 参 考 文 献 [1] 佘生能，孙士平.电容传感器新型电容测量电路设计[J].中国测试技术，2005，31 （5）：42-43. [2] 王雷，王保良，冀海峰，等.电容传感器新型微弱电容测量电路[J].传感技术学报，2002 （4）：273-277. [3] TDK. Capacitance Measurement： measurement tips for high capacitance MLCC's [M]. Tokyo： TDK， 2000. [4] 朱登科.单芯片电容测量方案 PCAP01 原理[EB/OL].[2011-12-14]. http： //www.eeworld.com.cn/dygl/2011/1214/article_9314.html. [5] 电子发烧友网. 基于电容检测芯片 MS3110 的电容式传感器检测系统[EB/OL].[2010-08- 28].http：//www.elecfans.com/article/88/142/2010/20100828222412.html.