测控技术与仪器 毕业论文范文——瞬变微小电容测量电路的研究

瞬变微小电容测量电路的研究摘 要在工、农业生产、科学研究、国防建设及国民经济的各部门中，经常需要检测各种参数和物理量，获取被测对象的定量信息，以便进行监视和控制，使设备或系统处于最佳运行状态，并保证生产的安全、经济及高质量。在现代科学研究和新产品设计中，为了掌握事物的规律性，人们必须测试许多参数，用以检验是否符合预期要求和事物的客观规律性。然而在被测物理量中，非电量占了绝大部分。非电量测量可以通过各种对应的敏感元件，将被测物理量转换成与之有对应关系的电压、电流等，而后再通过对电压、电流的测量，得到被测物理量的大小。传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和途径。本设计中是对瞬变微小电容测量电路的研究，在论文中阐述了微小电容测量电路的应用背景和国内外研究现状，对电容式传感器的工作原理和类型进行了简介，通过对MSP430单片机和PS021的特性、功能和工作原理的研究分析，设计了通过PS021采集数据，数据经过SPI传送到MSP430单片机，单片机连接的LED数码管将其结果最终显示。关键词 MSP430单片机，PS021芯片，TDC技术，电容式传感器The Research Of Transient Capacitance Measuring CircuitAbstractIn the industrial, agricultural production, scientific research, national defense construction and national economy in all sectors, often need to test various parameters and physical quantities, the measured object to obtain quantitative information for monitoring and control, equipment or system is in the best run state, and to ensure production safety, economy and quality. In modern scientific research and new product design, in order to grasp the laws of things, one must test many parameters to test whether the expected requirements and the objective laws of things. However, the measured physical quantities, the non-electricity accounts for the majority.Non-power measurements can be sensitive to a variety of corresponding components will have measured physical quantities into correspondence with the voltage, current, etc., and then through the voltage and current measurements, the size of the measured physical quantity. Sensor technology for such measurements provide a new method and means.This design is the transient capacitance measurement circuit of small, in the paper described the application of Capacitance Measuring Circuit background and research status, on the capacitive sensor principle and type of the profile, through the MSP430 MCU and PS021 features, functions and working principle of analysis, design, data collection through PS021, the data sent to the MSP430 microcontroller through the SPI, microcontroller connected LED digital tube is finally showing its results.Keywords MSP430 monolithic integrated circuit，PS021 chip，TDC technology，Capacitive sensor1.绪论1.1本课题研究的背景及意义随着半导体集成技术和微加工技术的发展, 微型传感器得到了迅速发展。电容式微传感器因其结构简单而成为微传感器技术领域中发展较快的一种传感器。电容测量技术不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，还应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。其突出的特点是结构简单，体积小，分辨率高，本身发热小，动态响应好，十分适合非接触测量。随着电子技术，特别是集成电路技术的迅速发展，对传统的传感器的性能要求也越来越高。传统的电容传感器所面临的输出阻抗高、带负载能力小，寄生电容影响大，环境温度的影响大，输出特性的非线性等缺点都有待解决。在工、农业生产、科学研究、国防建设及国民经济的各部门中，经常需要检测各种参数和物理量，获取被测对象的定量信息，以便进行监视和控制，使设备或系统处于最佳运行状态，并保证生产的安全、经济及高质量。在现代科学研究和新产品设计中，为了掌握事物的规律性，人们必须测试许多参数，用以检验是否符合预期要求和事物的客观规律性1。 在被测物理量中，非电量占了绝大部分，例如压力、温度、湿度、流量、液位、力、应变、位移、速度、加速度、振幅等等。非电量测量可以通过各种对应的敏感元件，将被测物理量转换成与之有对应关系的电压、电流等，而后再通过对电压、电流的测量，得到被测物理量的大小。传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和途径2。 电容式传感器是将被测量的物理量转换成电容量变化的装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。 和其它传感器相比，电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、分辨力高、工作可靠、易实现非接触测量、具有平均效应等优点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。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3。 由于电容传感器的广泛采用，不可避免地要涉及到电容的测量问题。对感应信号的提取与非电量参数测量的成功与否有着密切关系。电容式传感器将被测非电量信号变换成变化的电容，并借助测量电路将电容变化量转换为电压、电流或频率信号，以便显示、记录和传输。对于电容/电压转换电路，如何将电容变化量准确地转换为电压信号至关重要，它直接关系到后续测量的准确性4,5。在测量仪器设计过程中，往往由于体积或测量环境的制约，电容传感器电容的变化量一般都较小，往往仅有几个或几十个皮法，属于微弱电容的检测。在某些场合, 例如电容层析成像系统中，传感电容的变化量小至fF级6,7。在现阶段测量微小电容主要有以下几方面的困难：杂散电容往往要比被测电容高的多，且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素而变化，被测量常被淹没在干扰信号中；测量电路一般要使用一定量的电子开关, 但电子开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除；由于测量对象的快速多变性, 需要较高的数据采集速度, 但采集速度和降低噪声的矛盾难以解决, 滤波器的存在成为提高数据采集速度的瓶颈等问题。因此，要考虑引线电容、电路设计的寄生电容以及环境变化的影响等因素，使电容传感器调理电路设计相当复杂，并且由于分立元件过多，也将影响电容的测量精度8,9。1.2 本课题的国内外研究现状目前，国内外常见的测量微小电容的电路有以下几种：1.充/放电电容测量电路该电路的主要优点是能有效地抑制杂散电容，而且电路结构简单，成本很低，经过软件补偿后电路稳定性较高，获取数据速度快。缺点是电路采用的是直流放大，存在较大的漂移；另外，充/放电是由CMOS开关控制，所以存在电荷注入问题。目前该电路已成功应用于6、8、12电极的ECT系统中。其典型分辩率可达310-15F。2、AC电桥电容测量电路AC电桥电容测量电路其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率相同/幅值相同的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。这种电路的主要优点是：精度高，适合作精密电容测量，可以做到高信噪比。但该电桥电容测量电路原理上没有考虑消除杂散电容影响的问题，为此采取屏蔽电缆等复杂措施，而且其效果也不一定理想。通过实验测得其线性误差能达到F。3、交流锁相放大电容测量电路由于采用交流放大器，输出电压值正比于被测电容值。为了能直接反映被测电容的变化量，目前常用的是带负反馈回路的C/V转换电路。这种电路的特点是抗杂散性、分辨率可高达F，所以低漂移、高信噪比，但电路较复杂，成本高，频率受限。4、基于V/T变换的电容测量电路该测量电路对被测电容只进行一次充放电即可完成对被测电容的测量。采用了电子技术中准确度较高的时间测量原理，克服了传统测量微弱信号电路中放大器的稳定性不好、零点漂移大等缺点，且电路结构简单、测量精度和分辨率高。5、基于混沌理论的恒流式混沌测量电路这种方法突出的优点是测量的分辨率高，测量的绝对误差不随被测电容值的变化而改变，对作为传感器的元件只要求稳定即可。当被测电容很大时，相对误差还会减小。此方法除了可以直接测量电容外，也可以作为电容式传感器测量其它电量和非电量。6、基于电荷放大原理的电容测量电路基于电荷放大原理的电容测量电路，一方面该电路对被测电容只进行一次充放电，就可完成对电容的测量，由于测量结果是直流稳定信号，不存在脉动成分，故电路中无需滤波器。因此大大提高了基于该电路的数据采集系统的数据采集速度。同时该电路具有很强的抗杂散电容的性能。另一方面该电路可以对各开关的控制时序进行合理的设计，用以较好地解决了电子开关的电荷注入效应对测量精度的影响问题，使电路达到了较高的分辨率。对杂散电容具有较强的抑制能力，系统灵敏度达到了4.8 V/pF，可达最高分辨率为F。电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能，目前的微小电容测量技术正处于不断的完善中，还不能满足实际应用发展的需要。从工业角度而言，一个完善的微小电容测量电路应该具备低成本、低漂移、响应速度快、抗杂散性好、高分辨率、高信噪比和适用范围广等优点。在上述讨论的测量电路各有优缺点，相比较而言，交流锁相放大测量电路是目前实验室应用最好的检测电路，在有研究成果基础上进一步改善其电路复杂、频率受限的缺点，将在工业实际测量中具有广泛的应用前景。把微小电容测量技术研究工作推上一个新台阶10,11。2. 电容式传感器 2.1电容式传感器的基本工作原理 电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成的，并且以空气为介质，如图2.1所示。两个平行板组成的电容器的电容量为 （2-1） 式中电容极板间介质的介质常数，；0真空介质常数；r介质材料的相对介质常数；A两平行极板覆盖的面积；d两平行极板之间的距离；C电容量。Ad图2.1 平板电容器当被测参数使得式子中的A、d和发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。因此，电容量变化的大小随着被测参数的大小而变化12,13。2.2电容式传感器的类型实际应用中，常常仅改变A、d和之中的一个参数来使C发生变化，所以电容式传感器可分为三种基本类型：改变极板距离d的变极距（变间隙）型；改变面积A的变面积型；改变介电常数的变介电常数型。改变平行极板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移；而变化面积A的传感器则适用于测量厘米数量级的位移；变介电常数式电容式传感器适用于液面、厚度的测量。2.2.1 变极距型电容传感器 变极距型电容传感器是利用改变极板间距d来改变电容量的一种可变传感器。由上式可知，当电容式传感器极板间距d变化时，两极板间的电容C也会随之变化，并且电容量C与极间距d不是线性关系，而是双曲线关系。2.2.2 变面积型电容传感器通过改变极板的有效面积可制成变面积型电容传感器。变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极板径向变化的影响小，成为实际中最常采用的结构，其中在忽略边缘效应时，圆柱形的电容器的电容量为 （2-2）式中 L外圆柱筒与内圆柱重叠部分的长度； r2外圆柱内径； r1内圆柱外径。当两圆筒相对移动L时，电容变化量C为 （2-3）从上述式子中可以得到：电容变化量与相对移动L成线性比例关系，灵敏度为常数且不受其他量的影响而发生变化。所以这类传感器具有良好的线性。2.2.3 变介电常数型电容传感器通过改变电容器中间介质的介电常数可以改变其电容量，且二者之间为线性关系，利用该原理可制成变介电常数型电容传感器。变介电常数型电容传感器大多用来测量电介质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。 2.3 电容式传感器等效电路 电容式传感器的等效电路如图2.2所示。通常电容式传感器的电容C(包括寄生电容)只有在环境温度不高，湿度不大，电源频率适中的条件下，才能看做是纯电容。如果电源频率较低或在高温高湿的条件下工作，极板间等效损耗电阻Rp就必须考虑。它包括极板间的泄漏电阻和极板间介质损耗。随着电源频率提高，传感器容抗减小，等效损耗电阻Rp的影响减小。当电源频率高至兆赫级时，Rp可以忽略不计，但电流集肤效应使导体电阻增加。此时必须考虑引线（传输电缆）的电感和电阻，图2.2所示，L为引线电感和电容电感之和，电阻R包括引线电阻、极板电阻和金属支架电阻，这个值通常很小，它随频率的增高而增大。供电电源频率一般为谐振频率1/31/2，传感器才能保持正常工作14,15。 图2.2 电容式传感器的等效电路2.4 电容式传感器特点2.4.1 优点 1、温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。 2、结构简单，适应性强 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度；可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量。电容式传感器一般用金属作电极、以无机材料作绝缘支承，因此能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等；能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。 3、动态响应好 电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小、很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小，可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它还可以用于测量高速变化的参数。 4、可以实现非接触测量、具有平均效应 当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除上述优点之外，还因带电极极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题。 2.4.2 不足之处 1、输出阻抗高，负载能力差 电容式传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高，否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能，为此还要特别注意周围环境的影响。 2、寄生电容影响大 电容式传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容常常是随机变化的，将使传感器的工作不稳定，影响测量精度，其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量，致使传感器无法工作。因此对电缆的选择、安装、接法都要有要求。 上述不足直接导致电容式传感器测量电路复杂的缺点。但随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬而缺点不断得到克服，成为一种大有发展前途的传感器16。 2.5 电容式传感器的发展趋势电容式传感器最主要的发展方向就是向高智能化的方向发展，一方面要充分发挥微处理器的控制功能和提高微处理器本身的性能；另一方面要提高电容式传感器中变换电路的集成度，同时，为了克服不稳定的“寄生电容”的影响，常将电子放大线路安放在紧靠电容式传感器的地方或采取屏蔽措施和驱动电缆技术；为了提高测量精度，改善抗干扰性能，对测量电路及器件的要求要高等。当然，对电容式传感器的改进与发展还有很多方面的内容和措施，但它们的目的就是使电容式传感器向精确化与先进化的方向发展。3. 硬件设计3.1 MSP430单片机MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。MSP430 系列是一个16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。 随着 Flash 技术的迅速发展，相继推出F41X、F43X、F44X这些全部是Flash型单片机17,18。 3.1.1 MSP430单片机的特点超低功耗在超低功耗方面，其处理器功耗和口线输入漏电流(最大50nA)在业界都是最低的，远远低于其他系列产品。运算性能强大在运算性能上，其16位RISC结构，使MSP430单片机在16MHz晶振工作频率时，指令速度可达16MIPS(注意：同样16MIPS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8位处理器高远不止2倍)。同时，MSP430单片机中采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘一加(积之和)功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法(如FFT、DTMF等)。开发工具方便先进在开发工具上，MSP430系列单片机支持先进的JTAG调试，简单的硬件仿真工具只是一个并口转换器，而且适用于所有MSP430系列单片机，既便于推广，又大大降低了用户的开发投入。 系统整合丰富实用在系统整合方面，MSP430系列单片机结合TI公司独到的高性能模拟技术，根据其不同技术，支持在线编程，并有保密熔丝。其B00TSTRAP技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段，BOOTSTRAP有32个字节的口令字，具有很高的保密性。MSP430系列单片机均为工业级产品，性能稳定，可靠性高，可用于各种民用、工业产品。产品，集成了多种功能模块，包括定时器、模拟比较器、多功能串行接口、IO端口(P0一P6)、DMA控制器、多达120KB的Flash和10KB的RAM、SVS，以及丰富的中断功能。3.1.2 MSP430单片机端口介绍MSP430的端口有P1、P2、P3、P4、P5、P6、S和COM（型号不同，包含的端口也不相同，如MSP430X11X系列只有P1,P2端口，而MSP430X4XX系列则包含全部上述端口），它们都可以直接用于输入/输出。MSP430系统中没有专门的输入/输出指令，输入/输出操作通过传送指令来实现。端口P1-P6的每一位都可以独立用于输入/输出，即具有位寻址功能。由于MSP430的端口只有数据口，没有状态口或控制口，在实际应用中，如在查询式输入/输出传送时，可以用端口的某一位或者几位来传送状态信息，通过查询对应位的状态来确定外设是否处于“准备好”状态。 端口P3、P4、P5、P6没有中断能力，其余功能同P1、P2。除掉端口P1,P2与中断相关的3个寄存器，端口P3,P4,P5,P6的4个寄存器（用法同P1，P2）分别为PXDIR，PXIN，PXOUT，PXSEL可供用户使用。 图3.1 MSP430原理图端口COM和S，他们实现与液晶片的直接接口。COM为液晶片的公共端，S为液晶片的段码端。液晶片输出端也可经软件配置为数字输出端口。 本设计中用到的P口可以控制时序发生器，接受信号。FLASH的存储空间为116K，空间可直接用于存储数据，不用外接其他存储设备。FLASH存储器的功能部件控制寄存器用来控制FLASH存储器的擦除与写入。PS021通过SPPI向单片机传送数据19,20。3.2 PS021芯片 PS021是德国acam公司picostain系列产品中高新科技的代表，应用了一种新的数字化测量概念。这种新概念是基于TDC芯片技(Timer-to-Digital Convener，时间数字转换器,简称TDC)而产生的, 使之成为一种完全集成的超低功耗、超高精度测量芯片。采用时间数字转换的测量原理，为模块设计提供了非常高的测量灵活性，并使整个系统的电流消耗包括传感器在内可以被降低到100uA以下。测量的精度可以与高端24位数模转换器相媲美，在高测量刷新率的情况下，比之精度更高。芯片可以通过SPI兼容的串行口，与单片机或DSP进行通信21。时间数字转换电路TDC(Time to Digital Converter)是PS021内部最基础的测量单元，广泛应用于高能物理中粒子寿命检测、自动检测设备、激光探测、医疗图形扫描、相位测量、频率测量等研究领域。PS021展示了一种新的测量电容的全新概念。PS021可提供在PS021内部对于不同传感器进行显性化算法的计算。测量过程在应用相同的放电电阻和比较器，重复在两个电容器进行。计算结果的比值将会给出绝对测量值和电阻和比较器的温度特性。3.2.1 PS021特性基于CM0S技术的数字化测量原理的PS021芯片,具有的典型特征包括:高温度稳定性；低增益误差(1ppm/K)；低offset漂移；无补偿时最多可接4对电容、有补偿时最多可接1对电容；在10Hz和500aF有效精度情况下，超低电流消耗：最低10uA(包括传感器)22,23。主要性能指标：供电电压：1836 V；工作温度范围：一40125；I/O和传感器供电电压范围：1855 V；电容测量范围：从0 fF到几十nF(无限制)；QFN48QFP48封装(尺寸77mm2)；可编程精度：最高6 aF有效精度；高测量刷新率：高精度模式下最高达到50kHz。芯片的封装形式为TQFN48和QFN48两种，在40C到+120C的工作温度范围，另外芯片通过SPI串行口与单片机进行通信，芯片还集成了专门的温度测量端口，接温度传感器可测量温度。电源核心电压从1.8V-3.6V，I/O电压从1.8V-5.5V。3.2.2 PS021的测量原理：感应电容和参考电容与电阻相连接形成了一个低通滤波器。感应电容和参考电容应该是同样的范围值来减小增益误差。一般来讲对于电容值没有特殊的界限，电容传感器从接近0直到几十nF都可以被测量。电容器先充电到电源电压，然后通过电阻放电。放电到任意电压的时间将会被高精度TDC(时间数字转换器)所测量，推荐的放电时间在210us范围内。PS021内部的TDC测量单元的单次测量精度为15 ps，如果通过平均的方法可以提高到飞秒级24,25。图3.2 充放电原理图充放电原理：接通电路,电源Vs向参考电容和被测电容充至电源电压后，通过74HC1G14触发器和电阻放电，放电到任意电压的时间被TDC（时间数字转换器）所测量。3.2.3 TDC技术PS021 提供两个时间测量模式:测量范围1:整个放电时间间隔由TDC高速测量单元所测量。时间测量范围被限制在10微秒。这个模式需要高的电流但是测量刷新率可以达到很高。 图 3.3 测量模式1测量单元被一个START信号触发然后由一个STOP信号终止。基于环振器所处位置和粗略寄存器所记下的内容START和STOP之间的时间间隔可以在20位范围内被测量。测量范围2:在这个模式下时间间隔不仅被高速测量单元所测量，还由参考时钟(预置配器)共同测量。因此TDC的测量范围可以被扩展到2的8次方个参考时钟的周期。这个模式展示了更高的测量精度和低电流消耗。图3.4 测量模式2可以应用一个预置配器将最大测量时间间隔扩展。LSB精度将不变。在这个模式下高速测量单元TDC并不是在整个时间间隔都工作，而仅仅测量了START信号和STOP信号到下一个参考时钟的上升沿(精密计数器)。之间的时间由数粗值寄存器数参考时钟的周期来完成。根据PS021信噪比可以被非常大的提高。另外，由于高速测量单元是电流的主要消耗者，因此在测量范围2电流消耗可以被非常显著的减小。与测量范围1不同，测量范围2的测量结果是粗值寄存器和精细寄存器的和。因此必须要在测量范围2中对结果校准。在一次校准过程中TDC测量了1个和2个参考时钟的周期。在本设计中，采用了第二种测量模式，此模式相对测量精度高，电流消耗低，可以相对的节省电26,27。3.2.4 PS021与单片机的通讯：PS021的通讯符合SPI接口控制与数据传输过程。测量电路需要单片机控制数据的读取和写入。本设计选用MSP430单片机，这样单片机就能很好地控制PS021的工作，以及把数据通过USART串行接口把数据送入到显示器上。图3.5 器件连接示意图SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。 其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。 接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输28,29。 要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体有相关器件的文档参考。 在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。3.3电源本设计中，MSP430单片机需要3.3V电压，PS021只有3.3V和5V电压，所以选用LP5996电压稳压器和MAX1595，使MSP430单片机与PS021的电压始终保持于所需电压。3.3.1 LP5996-3333LP5996是双通道低压差电压稳压器，并带有独立的赋值引脚。输入电压施加于VIN和GND之间，至少要比VOUT最大值高出0.5V,并不超过6.0V。最小的工作电压为2.0V。负载连接至VO1和VO2引脚，并以GND为参考。 图3.6 LP5996-3333如图3.6所示：电池为电路提供两路电压，VDD表示与单片机相连接，当VDD为高电压时，使能端EN1也为高电压，为了能使VDD始终处于高电压将EN1与电源处1端口相连接，LVDD为高电压时，同时EN2端也为高电压，当PS021停止测量时，EN2则为0，电路不再工作，能够很好的节省电30。通过在EN1和EN2上的逻辑信号来进行开/关控制。要求这些引脚上的最小电压为0.95V以使能相应的LDO。将使能引脚设定为0.4V或者更低会关闭LDO。如果不要求开关控制，可将部分或者全部使能引脚连接到VIN。表3.1 LP5996引脚说明引脚符号名称和功能1VIN电源输入。Connect a 1F capacitor between this pinLIAN引脚和地之间连接1uF电容and GND.2EN1调节输出1的使能端。高=开，低=关3EN2调节输出2的使能端。高=开，低=关4CBYP内部电压参考绕道。引脚和地之间接10nF电容，以降低噪声5N/C不接6GND连接外部焊盘7N/C不接8N/C不接9VOUT2输出调节210VOUT1输出调节1焊盘GND连接到引脚63.3.2 MAX1595MAX1595调节器可以把1.8V-5.5V的输入电压稳压成3.3V和5V的两个输出电压。它的特点如下：超小型:只需要三个陶瓷电容器，能达到125mA输出电流，输出电压调节3%，1MHz开关频率，1.8V到5.5V输入电压，220A静态电流，0.1A关机电流，在关闭状态下负载断开。图 3.7 MAX1595图3.7中：当端口为高电平时，单片机HVDD为高电平。表3.2 MAX1595管脚说明引脚符号名称和功能1AOUT模数电源和误差放大器输入/对照。连接到输出滤波电容器。2SHDN关机的输入。当SHDN =低,设备关闭;当SHDN =高,设备激活。3IN输入管脚。范围1.8V-5.5V，和地之间连接1uF的电容4GND接地5PGND电源地6CXN传输电容的负极7CXP传输电容的正极8OUT输出管脚。3.4 LED显示器3.4.1 LED显示器的结构和原理LED是发光二极管的缩写。LED显示器由若干个发光二极管组成。当发光二极管导通时，相应的一个笔画或一个点就发光。控制相应的二极管导通，就能显示出对应字符。在单片机应用系统中，LED数码管显示器通常使用的是7个发光管构成7段字形“8”，还有一个发光管显示小数点“.”，共计八段（正好一个字节）。它有共阳极和共阴极两种31。3.4.2 数码管的驱动方式 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低32,33。在本设计中用的是硬件静态显示，其公共端可直接接地（共阴极）或接电源（共阳极）。 图3.8 数码管与单片机部分图4.软件设计4.1 单片机流程图上电复位初始化PS021初始化SPI总线初始化串口USART禁止各使能端并清除各种标志单元开中断PS021开始测量PS021停止测量写到单片机 图4.1 单片机流程图程序如下：DCO_Init()； /DCO初始化PORT_Init()； /端口初始化CLOCK_Init()； /时钟初始化SPI_Init()；/SPI始化Erase()；/擦除闪存ONA ； /5996 3.3 V 工作ONB ； /1595 5.0 V 工作PS021_START()；/开始测量Record1(0x4D00,0xFDFF) ；/FLASH第一部分的记录SSN_LOW; SPI_TX(0xC0) ； SSN_HIGH ；/停止测量OFFA ； /关闭3.3 V电源OFFB ； /关闭5V 电源LIGHT_OFF ；4.2 SPISPI是串行外围设备接口，是一种同步串行通讯方式，是一种四线同步总线，因其硬件功能很强，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。SPI总线上可以连接多个可作为主机的MCU（微控制器）、装有SPI接口的输出设备、输入设备。总线上允许连接多个设备，但在任一瞬间只允许一个设备作为主机。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等34。SPI接口共有4根信号线，分别是：设备选择线、时钟线、串行输出数据线、串行输入数据线。由于SPI接口数据线是单向的，故电路设计时，数据线连接一定要正确，必然是一方的输出连接另一方的输入。SPI 接口是串行4线接口:SSN -从机选择 SCK -SPI 时钟 SI -数据输入 SO -数据输出 额外有一条中断线： INT -低平有效SPI程序如下：/初始化SPIvoid SPI_Init(void)UCA0CTL0 |=UCMSB+UCMST+UCSYNC;/UCCKPH 0 UCCKPL 0，MSB先发，8位3线SPI主模式 本主机UCA0STE高有效UCA0CTL1 |= UCSWRST+UCSSEL_2; / SMCLKUCA0BR0 = 0x02; / SPICLK = SMCLK/2=4MHzUCA0BR1 = 0x00; / BIT周期为UCA0MCTL =0x00; /同步通信不调整UCA0CTL1 &= UCSWRST; /初始化 USCI4.3 PS021测量原理：感应电容和参考电容与电阻相连接形成了一个低通滤波器。感应电容和参考电容应该是同样的范围值来减小增益误差。对于电容值没有特殊的界限，从接近0直到几十nF都可以被测量。电容器先充电到电源电压然后通过电阻放电。放电到任意电压的时间将会被高精度的tdc（时间数字转换器）所测量。推荐的放电时间在2到10s范围内。PS021内部的TDC测量单元的单次测量精度为15ps,如果通过平均的方法可依提高到飞秒级。4.3.1 对PS021测量模式进行设置简单步骤：1.配置（1）上电复位当加电源之后，必须对系统进行复位。一种途径就是给管脚RSTN加一个带宽最少为250ns的低平脉冲。另一种方法就是通过发送操作码0x50 给系统。在复位之后PS021将处于等待的状态，测量处于静止状态。所有的写寄存器将被设置成默认值。（2）写入寄存器写寄存器将从发送opcode 0x80 & ADR 开始。接下来的24 位通过地址ADR 被写入到寄存器中。串行接口(SPI兼容,时钟相位Bit=1,时钟极性Bit=0): 图4.2 写时序（3）Init发送opcode 0xC0 将对于PS021 进行初始化。初始化命令与上电复位相似但是并不改变寄存器的值。初始化命令保证了PS021 在一个初始的而且正确定义的状态。 SSN_LOW; SSN_HIGH; SSN_LOW; SPI_TX(0x50); SSN_HIGH; / 上电复位 SSN_LOW; SPI_TX(0x80); SPI_TX(0xE2); SPI_TX(0x38); SPI_TX(0x1D); SSN_HIGH;/写入寄存器 SSN_LOW; SPI_TX(0xC0); SSN_HIGH; /进行初始化 SSN_LOW; SPI_TX(0x01); SSN_HIGH; /开始测量2.测量的开始、控制发送opcode0x01将使PS021开始进行测量。根据对寄存器的设置PS021将实行一套完整的测量顺序。在顺序完成后管脚INT(Pin 23)被置地,此时说明数据现在已经可读了。管教INT 在第一次进入SPI穿行口时被复位置高。尽管单一转化模式没有启动时，测量开始也可以通过在STARTM管脚加一个正沿脉冲来实现。在本设计中选用单一转换模式：PS021被设置为单一转换模(SingleCon=1),芯片将在设置INT脚后进入一种等待的状态,新的测量可以由两种方式开始：a.通过SPI串行口发送opcode0x01b.在管脚STARTM（Pin14）加正沿脉冲b选项提供了一个可以使PS021刷新率与外部设备同步的机会。当然要确保外部频率低于当前PS021设置的可能的最大刷新率。3.读数据：只要INT 被置就可以和必须从PS021中读取数据了。 图4.3 读时序4.停止测量：测量可以有以下两种方式停止：（1）SingleCon 位设置这个位为1将仅仅启动单一测量，使PS021在单一转换模式。它将在测量后的INT置位，然后等待下一个命令。为了正确操作必须将寄存器0的其他位保留为原来的值，因此只有AutoDis位在变动。内部数值Rson校正值和增益校正值将被保留，但是当再次转换到自动测量模式时，可能会出现这些内部的校正值将回到开始时的值而且需要一些测量之后再次回到正确的校正值。（2）INIT当测量在进行的时候,可以在任何时候发送opcode 0xC0(INIT),这将马上停止测量。当不继续对INT设置时,PS021将处于等待状态。所有的内部校正值将会被删除(比如Rson 校正值)。只有在写寄存器中的值保留以前的值。本设计中选用第二种停止方式。4.3.2 PS021框图 PS021上电SSN_LOWSSN_HIGHSSN_LOWSSN_LOWSSN_LOW发送0x50SSN_HIGH发送0x80发送0xE2发送0x38发送0x1DSSN