PICl6LF874單片機(jī)在電容測(cè)量模塊中的應(yīng)用

摘要：為提高電容測(cè)量精度，針對(duì)電容式傳感器的工作原理設(shè)計(jì)了基于PICl6LF874單片機(jī)電容測(cè)量模塊。簡(jiǎn)單闡述了電容測(cè)量電路的應(yīng)用背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了美國(guó)Microchip公司PICl6LF874單片機(jī)的特性。電容式傳感器輸出的動(dòng)態(tài)微弱電容信號(hào)通過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)由PICl6LF874單片機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行處理、顯示和保存。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，固定電容標(biāo)稱值為lO～20 pF的測(cè)量值相對(duì)誤差在l％以內(nèi)，同時(shí)也可知被測(cè)電容容值越大，測(cè)量值和標(biāo)稱值相對(duì)誤差越小。
關(guān)鍵詞：PICl6LF874；電容傳感器；PS02l；測(cè)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(cè)量方法集成化水平低、精度低，因而對(duì)電容特別是對(duì)微小電容的精確測(cè)量始終是一個(gè)很重要的內(nèi)容。振蕩法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力差，板間內(nèi)電容影響測(cè)量結(jié)果；電橋法利用電橋平衡原理測(cè)量電容，測(cè)量結(jié)果受橋臂電容性能影響較大。本文用到美國(guó)Micmchip公司PICl6LF874單片機(jī)，該單片機(jī)采用RISC精簡(jiǎn)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(qiáng)、功耗低、高性能、價(jià)格低等特性。

1 PICl6LF874單片機(jī)
PICl6系列單片機(jī)采用精簡(jiǎn)指令集(Reduced Instruction Set Computer，RISC)結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)單片機(jī)對(duì)PC機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在的自然依賴性；加上哈佛總線的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、兩級(jí)流水線指令結(jié)構(gòu)、單周期指令等技術(shù)，從而在單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)上獨(dú)辟蹊徑，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率。除此之外，針對(duì)單片機(jī)機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn)，從功耗、驅(qū)動(dòng)能力、外圍模塊設(shè)計(jì)等方面，PIC單片機(jī)也有一些獨(dú)到之處，從而使得PIC成為一款方便實(shí)用的高性價(jià)比的單片機(jī)。
PICl6LF874系列單片機(jī)包括一系列不同型號(hào)的器件。主要特點(diǎn)有：
1)精簡(jiǎn)指令集技術(shù) PIC指令系統(tǒng)是專門根據(jù)小型機(jī)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，力求每一條指令達(dá)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(jī)指令數(shù)分別為58條、35條和33條。這就帶來(lái)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(lái)了極大的好處，編程和調(diào)試相對(duì)就更加容易，而且同樣的功能所需的編碼減少，節(jié)約了開(kāi)發(fā)時(shí)間。
2)哈佛(Harvard)總線結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)是程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，即兩者位于不同的物理空間。PIC系列單片機(jī)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(shì)。大大提升了系統(tǒng)的運(yùn)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(duì)單片機(jī)系統(tǒng)是革新性的變化。高中低檔的PIC單片機(jī)的指令位數(shù)分別為16位、14位、12位。ROM和RAM的尋址相對(duì)獨(dú)立，所有的指令實(shí)現(xiàn)了單字節(jié)化，不僅使數(shù)據(jù)的存取更加安全，其運(yùn)行速度也得到了顯著的提高。
4)兩級(jí)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(shí)，下一條指令同時(shí)被取出，使得在每個(gè)時(shí)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(shí)器和程序計(jì)數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，并且只需要一個(gè)指令周期就可以完成訪問(wèn)和操作。
6)一次性可編程(OTP)技術(shù) OTP可以實(shí)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(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(shí)，耗電電流典型值不超過(guò)6 mA：當(dāng)用32 kHz晶振，供電電壓力3 V時(shí)，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(jī)目前已形成具有高、中、低3檔共50多種型號(hào)的龐大家族，功能靈活多樣，能適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)合的不同需要。

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

電容測(cè)量模塊工作原理為：電容式傳感器輸出微弱的電容信號(hào)，電容信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路。進(jìn)入PS02l型電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，該器件的測(cè)量電容測(cè)量范嗣從0到幾十nF(無(wú)限制)，經(jīng)過(guò)器件內(nèi)部轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)PS02l內(nèi)部寄存器的設(shè)置，得到需要的值；通過(guò)SPI把數(shù)據(jù)傳送到PICl6LF-874單片機(jī)，測(cè)得的數(shù)據(jù)再通過(guò)單片機(jī)異步串行通信接口USART送到上位機(jī)(計(jì)算機(jī))，最后由上位機(jī)應(yīng)用程序來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果以及保存測(cè)試數(shù)據(jù)。