PICl6LF874單片機在電容測量模塊中的應(yīng)用

摘要：為提高電容測量精度，針對電容式傳感器的工作原理設(shè)計了基于PICl6LF874單片機電容測量模塊。簡單闡述了電容測量電路的應(yīng)用背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了美國Microchip公司PICl6LF874單片機的特性。電容式傳感器輸出的動態(tài)微弱電容信號通過PS02l型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器把模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)據(jù)，所測數(shù)據(jù)由PICl6LF874單片機應(yīng)用程序進行處理、顯示和保存。實驗結(jié)果表明，固定電容標(biāo)稱值為lO～20 pF的測量值相對誤差在l％以內(nèi)，同時也可知被測電容容值越大，測量值和標(biāo)稱值相對誤差越小。
關(guān)鍵詞：PICl6LF874；電容傳感器；PS02l；測試

電容式傳感器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)城。但目前大部分電容測量方法集成化水平低、精度低，因而對電容特別是對微小電容的精確測量始終是一個很重要的內(nèi)容。振蕩法電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力差，板間內(nèi)電容影響測量結(jié)果；電橋法利用電橋平衡原理測量電容，測量結(jié)果受橋臂電容性能影響較大。本文用到美國Micmchip公司PICl6LF874單片機，該單片機采用RISC精簡指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)、流水線指令方式，具有抗干擾能力強、功耗低、高性能、價格低等特性。

1 PICl6LF874單片機
PICl6系列單片機采用精簡指令集(Reduced Instruction Set Computer，RISC)結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)單片機對PC機在結(jié)構(gòu)上存在的自然依賴性；加上哈佛總線的存儲器結(jié)構(gòu)、兩級流水線指令結(jié)構(gòu)、單周期指令等技術(shù)，從而在單片機硬件結(jié)構(gòu)上獨辟蹊徑，大大提高了系統(tǒng)運行的效率。除此之外，針對單片機機應(yīng)用的特點，從功耗、驅(qū)動能力、外圍模塊設(shè)計等方面，PIC單片機也有一些獨到之處，從而使得PIC成為一款方便實用的高性價比的單片機。
PICl6LF874系列單片機包括一系列不同型號的器件。主要特點有：
1)精簡指令集技術(shù) PIC指令系統(tǒng)是專門根據(jù)小型機特點設(shè)計的，力求每一條指令達到更高的效率，減少指令功能的重復(fù)。高中低檔的門PIC單片機指令數(shù)分別為58條、35條和33條。這就帶來了兩方面的好處，一方面可以使代碼的利用率大大提高，有利于提高執(zhí)行速度。另一方面給用戶學(xué)習(xí)、記憶和應(yīng)用帶來了極大的好處，編程和調(diào)試相對就更加容易，而且同樣的功能所需的編碼減少，節(jié)約了開發(fā)時間。
2)哈佛(Harvard)總線結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址，即兩者位于不同的物理空間。PIC系列單片機不僅采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，而且采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮了哈佛結(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)勢。大大提升了系統(tǒng)的運行效率和數(shù)據(jù)可靠性。
3)單字節(jié)指令 單字節(jié)指令對單片機系統(tǒng)是革新性的變化。高中低檔的PIC單片機的指令位數(shù)分別為16位、14位、12位。ROM和RAM的尋址相對獨立，所有的指令實現(xiàn)了單字節(jié)化，不僅使數(shù)據(jù)的存取更加安全，其運行速度也得到了顯著的提高。
4)兩級流水線指令結(jié)構(gòu) 由于采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，在器件內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用了不同的總線寬度。當(dāng)一條指令被執(zhí)行時，下一條指令同時被取出，使得在每個時鐘周期可以獲得更高的效率。
5)寄存器組結(jié)構(gòu) PIC的所有寄存器，包括I／O端口、定時器和程序計數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，并且只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作。
6)一次性可編程(OTP)技術(shù) OTP可以實現(xiàn)產(chǎn)品上市零等待(Zero time to market)，并且可以根據(jù)用戶定制，滿足特定需要。產(chǎn)品定制可以顯著提高產(chǎn)品的生命周期，增強產(chǎn)品的市場競爭力。
7)功耗低 供電電壓為2．0～5．5V，當(dāng)使用4 MHz晶振，供電電壓為3V時，耗電電流典型值不超過6 mA：當(dāng)用32 kHz晶振，供電電壓力3 V時，耗電電流典型值為20 mA，睡眠模式耗電電流更是低于lμA。
8)品種齊全、方便選擇 PIC系列單片機目前已形成具有高、中、低3檔共50多種型號的龐大家族，功能靈活多樣，能適應(yīng)多種應(yīng)用場合的不同需要。

2 電容測量模塊工作原理
電容測量模塊總體設(shè)計原理框圖如圖l所示，包括電源管理電路、PICl6LF874單片機、電容式傳感器、信號調(diào)理電路、PS021電容數(shù)字轉(zhuǎn)化器以及與計算機連接的接口電路。

電容測量模塊工作原理為：電容式傳感器輸出微弱的電容信號，電容信號通過信號調(diào)理電路。進入PS02l型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該器件的測量電容測量范嗣從0到幾十nF(無限制)，經(jīng)過器件內(nèi)部轉(zhuǎn)換，通過對PS02l內(nèi)部寄存器的設(shè)置，得到需要的值；通過SPI把數(shù)據(jù)傳送到PICl6LF-874單片機，測得的數(shù)據(jù)再通過單片機異步串行通信接口USART送到上位機(計算機)，最后由上位機應(yīng)用程序來顯示測量結(jié)果以及保存測試數(shù)據(jù)。