摘 要： MS3110具有良好的微電容測量性能，可以滿足電容法在氣/固兩相流測量中的應(yīng)用。提供一種基于通用電容讀取芯片MS3110的微小電容讀取電路，并對MS3110的可編程參數(shù)設(shè)置做詳細(xì)介紹。電路設(shè)計(jì)中使用89S52單片機(jī)對MS3110芯片進(jìn)行編程控制和數(shù)據(jù)讀取，最終實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電容的測量，并通過串口傳輸至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。
關(guān)鍵詞：電容傳感器；微小電容測量；MS3110；氣/固兩相流
在粉塵顆粒檢測的各種方法中，由于電容傳感技術(shù)進(jìn)行兩相流離散相濃度檢測具有簡單、非侵入性、低成本、實(shí)時(shí)性佳等優(yōu)點(diǎn),成為目前研究的熱點(diǎn)[1]。但氣/固兩相流中粉塵體積比非常小, 為極稀相(固相體積比約0.05%)[2]。電容式傳感器輸出的電容信號往往很小(1 fF～10 pF),且傳感器及其連接導(dǎo)線存在雜散電容和寄生電容的影響,這對電容信號的測量電路提出了非常高的要求,如此微小的電容信號的測量成為電容式傳感器技術(shù)發(fā)展的瓶頸。目前,國內(nèi)外在測量10 pF以下的電容方面都存在很大的困難,分離元件電容測量電路的方式早已淘汰,電容檢測電路的研究主要集中在高度集成化方向[3]。本文將介紹一種通用電容讀取芯片MS3110，它使用方便，功能強(qiáng)大，適用于具有高分辨電容讀取接口的MEMS傳感器[4]。
1 MS3110芯片介紹
MS3110芯片是美國Irvine傳感器公司生產(chǎn)的一款通用電容讀取芯片，是專為MEMS傳感器的電容讀取接口而設(shè)計(jì)的、具有超低噪聲和4.0 aF/rtHz的分辨率、適合高性能要求的電容傳感器[5]，具體介紹如下。
1.1 引腳定義說明
MS3110引腳定義如圖1所示，MS3110的電源使用+5 V電壓驅(qū)動(dòng)，由+V(15Pin)施加給芯片，允許供電電壓在-0.25 V~+0.25 V之間波動(dòng)。-V(13Pin)為芯片的接地引腳。V2P25（2Pin）為芯片的參考電壓輸入端，需要一個(gè)平穩(wěn)的2.25 V的直流電壓源提供，否則將影響到測量精度。HV16(10Pin)為芯片內(nèi)置EEPROM的上拉電壓源，在不使用EEPROM時(shí)可以不接。
MS3110芯片支持雙差分變量輸入和單變量輸入，當(dāng)被測變量為差分電容時(shí)電容的兩極分別接芯片的CS2IN(4Pin)和CS1IN(6Pin)，差分電容的公共端接CSCOM(5Pin)；做單變量輸入時(shí),可將被測電容接到CS2IN和CSCOM引腳之間。
芯片的輸出引腳是VO引腳(14Pin),輸出為模擬量，輸出電壓與被測電容值的關(guān)系如下：
VO=GAIN×V2P25×1.14×(CS2T-CS1T)/CF+VREF (1)
其中：VO輸出電壓；GAIN為增益系數(shù),一般為2或者4 V/V；V2P25為參考電壓,一般為2.25 VDC;CS2T=CS2IN+CS2，CS1T=CS1IN+CS1(CS1IN,CS2IN為外部輸入電容，CS1，CS2為芯片內(nèi)置的可編程平衡電容器）；CF為電荷積分電路的積分電容，CF的大小決定芯片測量范圍的大?。籚REF可以被設(shè)置成0.5 VDC或2.25 VDC，一般在單變量輸入時(shí)為0.5 VDC，在差分變量輸入時(shí)為2.25 VDC。
MS3110芯片具有一個(gè)60 bit的內(nèi)部寄存器與一個(gè)100 bit的EEPROM，所以一般情況下可以直接使用芯片的內(nèi)部寄存器來設(shè)置芯片的參數(shù)，可以通過TESTSEL(3Pin)來選擇是否使用EEPROM。當(dāng)TESTSEL拉低即可旁路掉片內(nèi)的EEPROM；當(dāng)TESTSEL拉高時(shí)，也可以通過WRT（11Pin）來選擇對EEPROM編程(WRT=1)還是對片內(nèi)寄存器編程（WRT=0）。
SDATA（7Pin）與SCLK（8Pin）是芯片的通訊接口，SDATA是對芯片編程的串行數(shù)據(jù)輸入口，SCLK為此提供時(shí)鐘周期。CHPRST（1Pin）為芯片的復(fù)位引腳，3個(gè)NC端為芯片的保留端。
MS3110只有13個(gè)需要連接的引腳，使它在使用中只需要很簡單的周邊電路即可，而它的大多數(shù)設(shè)置是通過編程實(shí)現(xiàn)的，以適應(yīng)不同的需求。下面介紹具體參數(shù)設(shè)置。
1.2 參數(shù)設(shè)置詳解
MS3110主要由電容補(bǔ)償電路、電荷積分電路、低通濾波器以及運(yùn)算放大器組成。
如圖2所示，CS1和CS2為補(bǔ)償電容，它們的容值可以通過寄存器中CS1（8:0）和CS2（5:0）兩個(gè)數(shù)組來調(diào)節(jié),其中CS1調(diào)節(jié)范圍為0~9.70 pF，CS2為0~1.197 pF,步進(jìn)都為0.019 pF，CS1和CS2的真值表分別見表1和表2。本設(shè)計(jì)中被測變量選取為單變量的情況下，被測電容需要接在CSCOM與CS2IN之間，這時(shí)CS1值的選擇將影響到電容值的測量范圍。
電荷積分電路中的積分電容CF容值也可以通過寄存器中CF（9:0）來設(shè)置,CF參數(shù)真值表如表3，同樣該參數(shù)的選擇也將影響到芯片的測量范圍。
MS3110的低通濾波器模塊的通頻頻率通過CSELET（3:0）來設(shè)置，CSELET參數(shù)真值表如表4，濾波頻率可選0.5 kHz~8 kHz，此參數(shù)的選擇將決定芯片的工作頻率。
它的具體設(shè)置如下：芯片的運(yùn)算放大器模塊有兩個(gè)參數(shù)需要設(shè)置，分別是放大系數(shù)與偏移電壓補(bǔ)償。放大系數(shù)由GAINSEL來設(shè)置，當(dāng)GAINSEL=0時(shí)，放大增益為2；當(dāng)GAINSEL=1時(shí)，放大增益為4。偏移電壓補(bǔ)償由SOFF參數(shù)來設(shè)置，該參數(shù)的選擇一般由被測變量來決定。當(dāng)被測變量為單變量時(shí)，SOFF=1，這時(shí)補(bǔ)償電壓為0.5 VDC；當(dāng)被測變量為差分變量時(shí),SOFF=0,這時(shí)補(bǔ)償電壓為2.25 VDC。
另外,如圖2所示，MS3110的一些基本工作參數(shù)如：V2P25引腳的電壓修正由T（3:0）寄存位來設(shè)置，該引腳的2.25 VDC輸入電壓作為芯片工作的參考電壓，在所有應(yīng)用當(dāng)中必須保持在-10 mV~+10 mV的誤差范圍內(nèi)，在一般的使用當(dāng)中，T（3:0）只需設(shè)置為[1,0,0,0]，此時(shí)表示對V2P25引腳的輸入電壓無修正。
其他的幾個(gè)參數(shù)：工作電流修正、工作振蕩器修正以及輸出運(yùn)算放大器的直流電壓偏移量修正分別設(shè)置R（2:0）、D（2:0）、OFF（4:0）這幾個(gè)參數(shù)，使MS3110芯片能夠滿足更多的工作環(huán)境。一般情況下，都設(shè)置為Nominal，即R（2:0）=[1,0,0],D(2:0)=[1,0,0],OFF(4:0)=[1,0,0,0,0]。
1.3 參數(shù)的寫入
參數(shù)按照設(shè)計(jì)需求設(shè)定完畢后，需要寫入芯片的寄存器中，數(shù)據(jù)由SDATA口以串行通訊的形式寫入，通訊時(shí)鐘周期要求為2 μs，需要寫入的數(shù)據(jù)為60 bit。MS3110芯片的內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)分布以及串行數(shù)據(jù)的寫入順序要求見表5。
電源模塊必須要做好整流和穩(wěn)壓設(shè)計(jì), 特別是為V2P25提供2.25 V電壓的電源一定要保持波動(dòng)范圍在-10 mV~+10 mV以內(nèi)。上位機(jī)使用普通的微機(jī)即可，當(dāng)單片機(jī)采集到數(shù)據(jù)以后，以串口通訊的方式將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)得到實(shí)時(shí)顯示和保存。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
軟件方面，單片機(jī)初始化需要使用單片機(jī)的定時(shí)器來產(chǎn)生一個(gè)周期2 ?滋s的時(shí)鐘信號用作與MS3110芯片通訊，完成對芯片的初始化，開始采樣后，單片機(jī)負(fù)責(zé)將采樣到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，直到采樣結(jié)束，上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。圖4為其程序設(shè)計(jì)流程圖。
MS3110芯片將電荷積分電路、濾波電路以及放大電路集成在一起，而其又不要求復(fù)雜的外部電路，大大降低了測量電路的噪聲。配合對內(nèi)部的諸多參數(shù)寄存器的設(shè)置，也可以滿足許多場合的電容值讀取需要。本文對該芯片的引腳和內(nèi)部寄存器設(shè)置進(jìn)行了詳細(xì)介紹，該芯片在MEMS電容傳感器的設(shè)計(jì)中具有更廣泛的應(yīng)用前景。
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