（农业机械化工程专业论文）基于dsp的微电容快速检测系统研究.pdf

中文摘要 摘要 本论文课题在深入调查分析微电容检测技术的应用背景和国内外研究现状的基础上，针 对被测电容值小、电容变化甚微、易受外部环境干扰等特点和传统微电容检测系统存在测量 精度不高的问题，对基于d s p 的微电容快速检测系统进行了设计与试验研究 在硬件设计方面，根据充放电原理，采用间歇式c 转换电路选用现代较高性能 d s p ( 删s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 作为系统唯一的控制器，通过控制间歇式c 转换电路中模拟开关 c d 4 0 6 6 的开关时序以完成对被测电容的充放电：实现被测电容值转换成可供模拟转换的电 压值；利用d 转换模块把间歇式c 转换电路的输出电压转换成数字量；通过r s - 4 8 5 总 线把数据发送给p c 机，p c 机可方便地接收和分析数据同时系统还将被测电容的数据通过 c a n 总线发送出去，其他的设备可以通过a 蝌总线来获取这些数据，实现了数据的快速传 输 、 在软件设计方面，通过对a d 转换模块的软件设计实现 d 转换，并把a d 模块转换 后的数据存放在临时存储单元中，然后配置e c a n 模块和s c i 模块中的相关寄存器。把a d 转换结果以规定的格式发送出去，实现数据在不同设备问的通讯 本论文课题对空气和柴油两种介质情况下的0 1 p f 和0 1 0 p f 两种测量范围分别进行 了测量，对p c 机接收到的测量数据进行了分析，并拟合出与之对应的标定曲线方程在测 量数据的基础上对实际测量电容值与理论电容值存在的差异进行了分析 试验表明：该微电容检测系统设计合理：测量精度高、速度快；具有多种数据传输路径： 测量误差小；可靠性高；系统抗干扰能力强；达到了预期设计目的 关键词：微电容d s p 控制器c a n 总线快速检测 西南大学硕士学位论文 d e s i 印o fw r e a l 【c a p a c i t a l l c ef a s tm e a s 耐n g s y s t e mb a s e do nd s p t h et l l 髓i sm a l 【髓ad e e p 卸i a l y s i so nt h ea p p l i 谢0 n 槭孕砚m da n ds 咄d i 蹦i s 址时u t t h e 础p i 切n m 昀跚i i l l gt c 蛳q u e 姚d c 咀蛾嘶ca n d 们嘲觥砒p i 岱e l 叱t h ew e a l 【 c a p i t a l 雠飚tm 咖s y s t e mb e d d s ph 勰b e 锄d e s i 扣e d 柚ds 嘣c db y 臼i a lj nt h i s t h 嚣i s ，c o r d j i l gt o 鼬曲啪孤舳廿c s o fm em e 雒u 础c a p i 撇鹳b c i i l gw e a l 【，c ：h a n g i l l gl i t t l e 锄d b e 吨e a s y t o b ed i 咖捌b y t h e 测锄怖姗呲锄d 鼬硼b l 锄鹳l o w 戏删姗删 弘眺i o no fc 0 椰啪6 a lc 印忸c i t i m m s i n gt e d m i q l 壕 舡f b r 虹d w 撒d e s i 鹃恤触w 洲吼c 跏t i su s e db a s e d 位c _ h 孵 a n d 拙她e 面眦i l ，l e 1 k 吐燃i s k c t s 吐圮p r e s e n th i g h - p 硎讹dd s p c r m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 雒n 艟 s o l ec 0 删r o n 盯o fl h cs y s t e l n 1 i io f d 盯t o 旺i v e r tt h em e a 锄dc a p a c i t a n 讪ei n t ov o l t a g e ，t h c _ o 仃妇o fc m o s 蝴拙粕ls 喇诎l ( c d 4 0 6 6 ) i nt h e 删t t c n t 洲删c l t i i 墨 c 衄l n e dt od h a 学凹凼油弼cl h e 删琵刚dc 印a c i 伽豫髓e 删0 9 勘埘百t a lc 伽v 酬船 m 0 d i d ei sm e dt oc o n v 喇m eo u q ，u tv o l t a g eo f 锄朋血恤e n tc y v 删嘶c 她硫i n t od i g i 切l 、，a 1 d s ps 出d i g i t a ld 啦蕾op cn 啪u g hr s 一4 8 5b 嘛p cc 锄础y 僦e i v e 姐d 锄l 弦也e 如饥i i i l l l e m 翩觚l n c ，t l l es ) i 蜘n 刚o u t t l l e 纰o f t h e m 飘l 捌c 印i t a n c e ，w t l i c h c 狃b e 托i v e d b y t h e o l h 盯既l u i p 删t l l m u g h c 心b l j s t l l 鹏m e f 弧t 讹臼醐舳i s s i o n i s 北a l i z e d 舡缸n w a 托捌g n 加n v c m 帆i s 删i z c db a d 蚰吐把的r w a d c s i 驴o f a n a l o g 均删g i t a lc 0 咀硼俯m 0 d i l l e 1 kd a t a 删c n e db ya n a l o g 勘埘g mc 叫y e r t e rm o d u l e a m 既f i di n 钯m p c 哪i r y 吼饼a g el o 洲帆b yc 耐i g 晡n gt h er e l e 咖tr 蟛s t e 塔o fe ( ：a n m o h l l ea n d5 im o d u l e m e 纰啪b e 溯l t 伽ta ss t a l c df 蚴a l 柏dc 锄b e 仪m 加疵a 吨e d 锄优培d i 届枷戗l u i p 黜 m c a p i n t h e 佃。舢g 舔o f 0 1 p f 柚d0 1 0 p f i sm 咧；u 捌哗砸v e 炒b 鹪c d m et 啪雠d i ao fa i fa n dd i e s e lo n t o 咖她d a t a 僦e 砌b yp c ，m e 龇s i s 觚o u t 位 洲瞒盹酗删伽鹏e q 嘣0 n b a s e d 黜a s 砌d a 执舭t h e s i s e s p l e c i a l l ye x l 舢n d s t h ed h 锄e 鸥b e t w e c n t i l a lm 翩s 吲c a p i t a l l v a l l 圯觚dt l l e 删c a lc 印a c i 咖、r 鼍d 1 壕 t h et c s d n gs 量l o w st l l a tm es y s t e n ih 勰t h ed 咖曙c t e r i s 6 c so f 尬豳饥l a ：b l ed e s i g l l h i g h c f ”c i s i ，f h s 乞e r 髓协，m ：1 1 1 6 呵叭l t 眵o f 纰位m 射i l i 豁i o n h l 旧em 蕊m 舶崩n 盯咖；h i 曲他l i a ! b i h t y a n ds 呦g 锄矗一d i s | l l 而舳c e ，w h i c ha c h i e v 髓l h ea 【p 懿协t 部l a l k e y w o r d s ：w e a l 【c a p a c i 协n o e ； d s po o n 仃d n c a nb 吣：l s tm 如豫嘲呲 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 学位论文作者签名： 马成 签字日期：男年f 月37 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：耐不保密， 口保密期限制至年月止) 学位论文作者签名：写趣 签字日期：埘3 年5 月工1 日 学位论文作者毕业后去向： 指导教师签名：f 可古铷乒 签字日期：埘年f 月够日 工作单位：重庆梅安森科技发展有限责任公司电话：0 2 3 6 8 4 6 0 7 0 1 通讯地址：重庆市九龙坡区二郎高科创业园c 栋6 楼邮编：4 0 0 0 3 9 文献综述 第1 章文献综述 1 1 微电容检测技术的应用背景 1 1 1 电容传感器 ( 1 ) 电容传感器的特点 对于某些变化缓慢或微小的物理量的测量，一般来说采用电容传感器进行检测比较适 宜，其原因是电容传感器具有以下突出优点：测量范围大应变式传感器的电阻变化不 到l ，半导体应变片可以变化1 0 心0 ，而电容式的变化率几乎没有限制，可以做到1 0 0 ，甚至2 0 0 的电容变化量；灵敏度高相对变化量可达l0 7 数量级；动态响应快 因其可动质量小，固有频率高，故其高频特性较好，动态响应较好；自热效应甚微电 容式传感器工作时不消耗有功功率；可用于恶劣工作环境由于电容器极板多为金属材 料，极板问的衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温、 强磁场、强幅射、强振动下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题阻幻 ( 2 ) 电容传感器的工作原理 电容传感器的工作原理是利用被测物理量使电容器其中的一个参数发生交化的方法来 实现信号变换的电容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，并且以空气为介质如图卜l 所示为平板电容器的结构嘲 f c七 1r l 2 图卜l 平行板电容器 两个平行板组成的电容器的电容量为： c ；竺 d 式中，f 电容极板问介质的介电常数，富= 岛 岛真空介电常数 介质材料的相对介电常数 j 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 西南大学硕士学位论文 当被测参数使得式中的j ，d 或s 发生交化时，电容量c 也随之变化因此，电容量变 化的大小随着被测参数的大小而变化根据电容器参数的不同变化，电容传感器可分3 类： 交间距式，交面积式和变介电常数式一般改变平行板间距d 的传感器可以测量微米数量 级的位移，而变化面积j 的传感器则适用于测量厘米数量级的位移，变介电常数式电容传感 器适用于液面、厚度的测量“田 ( 3 ) 电容传感器的等效电路 在大多数的情况下，电容传感器可以视为一个纯电容l 力因为对于大多数电容器，除 了在高温、高湿条件下工作。它的损耗通常可以忽略，在低频工作时，它的电感效应也是可 以忽略的 若考虑到电容器的损耗和电感效应时，电容传感器的等效电路并非仅为纯电容，而应为 图1 - 2 所示电路 图l 心电容传感器等效电路 图1 2 中墨为并联损耗电阻，它包括极板问的漏电损耗和极板间的介质损耗这部分 损耗通常在低频时较大随着频率增高，容抗减小，它的影响也就减弱串联电阻冠包括导 线、金属外壳及极板厨的电阻损耗这个值通常是很小的，随着频率的增高它逐步增大，但 是即使在几姗z 频率下工作时，r 仍然很小因此只有在很高的工作频率下，集肤效应严 重并且对于薄膜结构忍才不容忽略此外，环境温度及湿度对冠也将产生影响 电感三由电容传感器本身的电感和外部引线的电感组成电容传感器本身的电感与其结 构形式有关；引线电感则与引线长度有关，引线愈短电感愈小如果用电缆与电容传感器 相连，则上中应包括电缆的电感 于是电容传感器的总损耗系数( 实际电容的有功功率与无功功率之比) 为； 如去+ 墨卯 ( 1 - 2 ) 式中，缈振荡角频率 由图l - 2 可以看出等效电路是存在一谐振频率的，通常为几十m h z 电容传感器在 谐振频率作用下，将不能正常工作。只有在低于谐振的频率上( 通常为谐振频率的l 2 l 3 ) 才能正常运行另外，由式( 1 - 2 ) 可知，等式右端第一项随着频率的升高而下降，而第二项 则随频率的升高而加大，因此必然存在着最优频率厶，它对应的d 值将最小厶可由对 2 文献综述 式( i - 2 ) 求极小值而得到。即 厶= 去岳 3 ， 同时，在低于谐振频率时，由于电路的感抗抵消了一部分容抗，传感器的有效电容e 将 有所增加，c 可近似由下式求得，即 上；，勿三+ l( 1 - 4 ) j 贰。| 贰 ? 此时，电容的实际变化量为。 等：兰墨 ( 1 - 5 ) c ： l 一彩2 l c 。 式( 1 - 5 ) 表明，电容转换元件的实际相对电容变化量与转换元件的固有电感( 包括引线、 电缆等的电感) 有关因此在实际应用时必须与标定时的接线等条件相同 1 1 2 微电容检测技术的应用 检测技术包括研究自动检测系统中的信息提取、信息转换及信息处理的理论和技术。从 信息科学角度考察，检测技术任务有：寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号， 以及确定二者间的定性定量关系；从反映菜一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下 最为合适的表现形式，以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存储、显示等的方法和相 应的设备 随着现代工业的飞速发展，对工况参数的实时监测已显得越来越重要了，参数监测分电 量和非电量两大类对于非电量参数的测量，测量的成功与否取决于传感器的质量和对信号 的提取在各类非电量传感器中，电容传感器可以说是用得最普遍的一种了，在工业现场它 作为流量、压力、位移、液位、速度、加速度等物理量的传感元件，应用已相当广泛弧t 栅 在目前电容式传感器中比如电容式压力传感器、电容式湿度传感器、电容式液位仪和开关、 电容式加速度和角度仪、电容式位移传感器等等都有应用前景，且技术比较成熟特别值得 一提的是，容栅传感器的广泛应用容栅传感器属于变面积式的电容传感器的一种它采用 锯齿形电极，提高了传感器的灵敏度初级的容栅传感器是将被测量( 位移、压力等) 的变化 转换为电容变化量的一种传感器。5 0 年代末人们提出了一种复合电极电容传感器当接收 电极平行于复合电极且不断移动时，电容量随之产生相应变化，经电路处理后，可测得线性 位移值1 9 7 2 年，瑞士1 1 u m o s 公司首次研制成功容栅测长系统s y l v a c 测量系统， 并用此系统制造出2 0 台标准高度规该系统把容栅滑尺与c m o s 中集成电路融为一体。组 成读数头与显示系统这是容栅测量系统在量具上的首次应用，并形成了目前容栅传感器的 基本结构n 随着测量技术向精密化、高速化、自动化、集成化、智能化、经济化、非接触化和多功 3 西南大学硕士学位论文 能化方向的发展容栅传感器的应用将越来越广泛尤其是对于速度不太高可能转化成位移 量进行测量的任何物理量均可采用这种新型的传感器 目前国内的数显标尺( 或数显装置) 大部分为光栅、磁栅和感应同步器这些装置各有 所长，但成本较高。结梅复杂，对使用环境和安装条件要求高，特别是各部分同的连线困难，易 受干扰容栅传感器比较好地解决了前述数显系统所存在的问题它具有结构简单、造价低、 体积小、耗能少、安装使用方便、环境适应性强、分辨率高、动态范围宽等优点特别是其 位移传感器的可动部分不需通电从根本上解决了连线困难的问题因而适用于多种机械设 备的位移量数字化自动显示对于推广低成本自动技术有较好的社会和经济效益目前已被 应用于多种测量仪器中如电容式数显内径测微仪和平整度仪 由于电容传感器具有灵敏度高、稳定性好、结构简单、使用寿命长以及可以进行非接触 测量等特点，非常适合在高渤湿、高尘埃及超高低温等恶劣环境下长期使用等优点，越来越 多的人在电容检测技术方面做了大量的研究和实验在国内，在微电容检测方面，已经能达 到0 0 1 p f 的检测精度南京南瑞集团公司已经形成了电容式传感器的系列产品，它们包括 垂线坐标仪、引张线坐标仪、位移计、测缝计、静力水准仪，量水堰渗流量仪等已经在水 利大坝及工程安全监测中得到广泛的应用这些电容式传感器虽然在工程应用中均取得了良 好的效果，但目前在应用上还存在以下局限性t 需要南瑞公司生产的专用数据采集模块进 行测量，不易直接接入其他制造商的数据采集装置，其推广应用受到限制；每台传感器的 灵敏度系数不能做到完全一致。造成使用上的不便为此，南瑞集团公司研制了具有符合国 际主流标准接口的智能型电容式位移传感器，使其性能、精度，可靠性、开放性都得到了提 高智能型电容式位移传感器的研制成功，进一步推广了电容式位移传感器的应用目前已 经分别有7 9 台智能型电容式静力水准仪应用于李家峡电厂，多套智能型电容式引张线坐标 仪应用于洪江、二滩等大坝工程，2 5 台智能型电容式垂线坐标仪应用于浙江紧水滩电厂，1 5 0 台智能型电容式垂线坐标仪、引张线仪和静力水准仪已出口乌兹别克斯坦，应用于塔什干大 坝和安基延大坝工程n 习此外，微电容检测还应用于精密摄像系统中摄像头的镜面安装此 安装精度要求较高，传统的测量方法如游标卡尺螺旋测微仪等测量不便、精度较低、人为误 差较大且接触测量时容易划伤贵重的摄像头镜面采用电容测距的方法实现了对工件测量 面的追踪调平、孔深测量。具有定位准确、精度高、重复性好、操作简单等系列优点n 羽 在海上惯性导航系统中，惯性敏感元件的固有误差是整个系统最严重的误差源，随着陀 螺仪和加速度计精度的不断提高，地球重力场不均匀性的影响越来越明显因此，为了进一 步提高导航系统精度，必须把重力异常考虑进去重力敏感器就是用来测量重力变化的仪器， 通过它提供的重力变化来修正导航系统参数，可以进一步提高导航系统的精度目前，敏感 重力加速度的方法最常用的有弹簧支撑力平衡反馈法、电磁悬浮支撑力平衡反馈法和静电支 撑力平衡反馈法，其中后两者近年来在高精度重力仪中应用越来越广泛在这两种方法中 是将检测质量悬浮在电磁场或静电场中，通过测量检测质量相对于极板的位置变化来敏感出 t 文献综述 重力的变化，位置的变化可表现为极板问电容的变化由于重力变化特别缓慢，这个电容的 变化是特别微小的因而采用微小电容的检测在此领域得到了广泛的应用，并大大提高了重 力敏感器精度n 帕 微电容还应用在两相流及多相流的图象重构方面，英国曼彻斯特大学已经成功研制了 p t l 3 0 0 e 型两相流测试系统n 习，并在实际中得到了应用 1 2 微电容检测技术研究现状 1 2 1 微电容检测方法 ( 1 ) 运算放大器检测法 图l - 3 电容运算放大器检测法原理图 电容式位移传感器的运算放大器检测法原理如图l _ 3 所示电容传感器的测头和被测物 体构成传感器电容c i 的2 个极板，c 为参考电容。等效杂散电容c 1 分布在传感器电容的 两端，电容传感器采用等位环技术和驱动电缆技术。使c 降低到较小运算放大器a 的输 入阻抗很高，增益很大，由于运算放大器a 的反向输入端虚地。杂散电容c 两端相当于接 地，对电路影响很小为激励源电压，由电路原理，有 = 也詈2 也詈以 ( 1 啕 可知，输出电压o 与动极板的位移或成线性关系，从原理上解决了变间隙式电容式位移 传感器输出特性的非线性问题n 刀但由于c 受温度影响很大等因素，不适合小电容的快 速检测 ( 2 ) 调频法 调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，称之为谐振电容，当被测 输入量导致电容发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化，将频率的变化在鉴频器中解调 出与被测信号成比例的低频电压信号，再经过放大后才能输入计算机d 帕这种调频电路特性 稳定，灵敏度高，但是响应速度慢该电路的系统组成框图如图l - 4 图l - 4 中的调频振荡器的振荡频率由下式决定： 5 西南大学硕士学位论文 输出 图l - 4 调频法检测电路原理图 2 石；厉 ( 1 切 式中：工振荡回路的谐振电感 c 总谐振电容 c = c i + g + c ，+ e 其中； q 振荡回路的分布电容 q 传感器的引线分布电容。该电容恰好并联在传感器上 c l 传感器的标称电容 q 被测参量导致传感器电容的变化量 当被测信号为0 时，e = 0 振荡器有一个固有中心频率石二 加司露暑菰 a - 8 ) 当被测信号c l 不为。时，振荡频率有相应可的变化，此时频率为 = = 夏= = 亨三二= 焉= 言= 石y ( 1 d 。2 万c l + q + g + q 。9 7 因为电路中的信号频率，有变化，需要高精度电路配合，特别是要求有恒幅的幅频特性。 这将导致电路的复杂性，造成设计中的困难，不适合高精度电容检测的设计 ( 3 ) 谐振法 该方法的原理方框图如图l - 5 所示 串串 整流 - l _ 。 放大 图l - 5 调谐电路原理图 其中振荡器输出稳定恒幅的交流信号电容传感器q 作为另一个谐振回路( 厶，g ， c 1 ) 中的调谐电容的一部分谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压 当传感器电容q 发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化又表现为 整流器电流的变化于是，该电流经过放大后即可指示输出的大小n 帕 这种电路本身存在下述缺陷： 工作点不好选取，变化范围较窄，导致量程不大 传感器与谐振回路要靠近，否则电缆的杂散电容对电路影响较大 6 文献综述 为了提高测量精度，振荡器的频率稳定度要优于l o 的数量级，这对于信号源来说要 长时间保持这种稳定度，十分不容易 ( 4 ) 二极管双t 型交流电桥法 它又称为二极管t 型网络，其工作原理如图l - 6 所示 珥为高频电源，提供幅值为配的对称方波，q 的正负半周内二极管日和d 2 轮流导通， 电容c - 和c l ：轮流充放电如果二极管4 和d 2 具有相同的特性，且令c i = c i ：，电阻墨= 足， 则负载吃上的电流和毛大小相等，方向相反，则通过吃的平均电流为零若c _ c ：那 么毛，则在置上必有信号输出着取墨= 是= 尺，其输出电压的平均值为： 扛 t ，i 图l _ 6 二极管交流电桥检测电路原理图 蚪吃狮( ) - 如) i 班卜等州( 巳咆) 汁- o ) 式中，厂为电源频率，若已知冠，且令 ：型警掣是= 肘 ( 1 1 1 ) 似+ 盈) z 则： u 岛彤( 1 一c d ) ( 1 。1 2 ) 当电源q 确定后，输出电压玑只是电容c 二和c l 的函数该电路的输出阻抗与墨、足、 兄有关约为l 1 0 0 姬，与电容c 二、c 二无关，故只要适当选择电阻墨和是，则输出电流 可以直接用毫安表或微安表测量输出信号的上升沿时间取决于负载电阻，例如是= l k q 时， 其上升沿时间约为2 0 阳，因此，该网络主要应用于高速机械量的测量嗍由于此电路只针对 差动电容的测量，而不能测量出单电容的绝对值，因此不适合本论文课题的研究 ( 5 ) 差动脉宽调制法 它的工作原理是。作为传感器的电容器充放电时，电容量的变化使电路输出的脉冲宽度 随之变化，经低通滤波器得到与被测量相对应的直流信号该电路输出电压与各电容传感器 的变化量的代数和成正比咖此电路要求直流电源电压稳定性要高，输出电压信号一般为 0 1 l z 的矩形波，再配一低通滤波器就可以得到直流信号 7 西南大学硕士学位论文 图l - 7 差动脉宽调制电路原理图 ( 6 ) v ，r 法 v 厂r 法测量电容的电路原理图如图卜8 ，图中为基准电压，j o 为恒流源，c 为被测 电容，k 和毛为模拟开关工作原理如下：当墨闭合时，基准电压给电容c i 充电致址= ， 然后墨断开，墨闭合，被测电容在电流源的作用下放电，单片机内部计数器开始工作，当 电容放电至玑= 0 时，比较器翻转，计数器结束计数，计数值与电容放电时间成正比豳，计 数脉冲与放电时间关系如图1 9 8 图卜8w r 法测量电路原理图 图l - 9 电容放电时间与计数脉冲的关系 电容电压玑与放电电流厶的关系为： 饥= 一恚f 厶毋= 一等 令让= o ，则有 q = 等z 警 ( 卜1 3 ) l 及刎驴 可c k + r 时，有： 日( 歹= 彳+ 1 ，( c - + c ，) 一( 硝+ ，( 象c ，) b ( 麦+ c ，) 小弛菇；c ，) 一 其极点为： 从而有： 耻一南扁焉 即小币i 丽笔而雨 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 选用不同的c m o s 开关，c i 放电到零伏的时间大约为几十至几百纳秒因而对一次单 一的放电周期，电流可看作是个冲激函数，从而流经传感器的电流i 可表示成： 其频谱为： 砸) = 屹e ( ，芦( f 一露d j ( 歹缈) = 厂屹c ：( ，) ，( 国一，q ) 脚 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 式中r 为重复时间，q = 等，e ( ，) 为传感器时变电容；c ( 纠为q ( f ) 的傅立叶交 西南大学硕士学位论文 换设c j o ) 的频率带宽为且q 2 q 为了恢复信号q ( f ) ，传感器的带宽应满足： 口，：丝：二生 支持4 5 个外设中断 ( 8 ) 三个3 2 位c p u 定时器 ( 9 ) 1 2 8 位的密码保护，保护n d 卿r o m 和l o 兀ls r a m 中的代码，防止系统固件被 盗取 ( 1 0 ) 2 个事件管理器模块，每个模块包括2 个1 6 位通用定时，8 通道1 6 位的p w m ，不对称、 对称或四个空间矢量p w m 波形发生器，死区产生和配置单元，三个全比较单元。三个捕捉单 元，正交脉冲编码电路等 ( 1 1 ) 包括1 个串行外设接口( s p i ) 、2 个u j 慷t 接口模块( s c i ) ，1 个增强型c a n 2 d 接口模 块，1 个多通道缓冲串口( m s b s p ) ( 1 2 ) 1 6 通道1 2 位模数转换模块流水线最快转换周期为6 0 璐，单通道最快转换周期为 2 0 0 n s ( 1 3 ) 高达5 6 个可配置通用口的l o 口引脚 ( 1 4 ) 先进的仿真调试功能支持分析和断点功能，硬件支持实时仿真功能 ( 1 5 ) 1 7 9 引脚b g a 封装或1 7 6 引脚l q f p 封装 3 4 串行通信电路设计 两个设备之问的数据交换称为微机通信串行通信是计算机主机与外设之间以及各主机 之间数据交换的常用方式之一串行通信在系统控制中一直扮演着重要的角色，应用也相当 广泛 微电容检测系统硬件电路设计 3 4 1 串行总线设计 ( 1 ) 串行通信两种基本方式 串行通信可分为同步通信和异步通信两种方式同步通信是指在约定的通信速率下，发 送端和接收端的时钟信号频率始终保持一致( 同步) ，这就保证了通信双方在发送和接收数 据时具有完全一致的定时关系同步通信把许多字符组成一个信息组，或称为信息帧，每帧 的开始用同步字符来指示由于发送和接收的双方采用同一时钟，所以在传送数据的同时还 要传送时钟信号，以便接收方可以用时钟信号来确定每个信息位同步通信要求在传输线路 上始终保持连续的字符位流。若计算机没有数据传输，则线路上要用专用的搿空闲”字符或 同步字符填充。同步通信传送信息的位数几乎不受限制，通常一次通信传的数据有几十到几 千个字节，通信效率较高但它要求在通信中保持精确的同步时钟。所以其发送器和接收器 比较复杂，成本也较高，一般用于传送速率要求较高的场合 异步通信是指通信过程所传送的字符和字符问的时间间隔是不固定的，发送每个字符的 前面有起始位，后面有校验位和终止位，不发送字符时，要发送空闲位异步通信是按字符 传输的，接收设备在收到位信号之后只要在一个字符的传输时间内能和发送设备保持同步就 能正确接收，对时钟的同步要求比较低队氟栅 ( 2 ) 串行通信数据传送方式 单工传送方式 在单工( s i n l p l 懿) 通信系统中，一方只能发送信息，而另一方只能接受信息咖通信双 方之间只需要一根数据传输线，只允许数据按照固定的方向传送单工传送方式如图3 一l o 所示，图中a 方只能作为发送器，b 方只能作为接收器，数据只能从a 方传送到b 方，不、 能从b 方传送到a 方d s p 以串行通信方式控制数模转换d a c 、数字电位器、液晶显示 器l c d 或u d 显示器等应用实例，就属于这种情况 图3 一1 0 单工传送方式示意图 半双工传送方式 在半双工( h a l fd u p l 懿) 通信系统中。允许数据分时地在两个方向传送，但不能同时双 向传送。半双工传送方式如图3 一l l 所示，在某一时刻，a 方为发送器，b 方为接收器，数 据从a 方传送到b 方；而在另一个时刻，a 方可以作为接收器，b 方作为发送器，数据从b 方传送到a 方d s p 以串行通信方式读出或者写入外部扩展黜蝴数据存储器、班荆加i m 存储器等应用实例，就属于半双工传送方式 西南大学硕士学位论文 图卜l l 半双工传送方式示意图 全双工传送方式 在全双工( f i l l id u p l 懿) 通信系统中，采用两根数据传输线，在任一时刻，允许数据阿 时进行双向传送全双工传送方式如图3 1 2 所示，a 方和b 方具有独立的发送器和接收器， 在同一时刻，既允许a 向b 发送数据，又允许b 向a 发送数据 肪医 一b 方 收 一 _ _ _ _ - j 阿习 1 - 一 _ - - 一 图3 一1 2 全双工传送方式示意图 3 4 2r s 2 3 2 和l 峪- 4 8 5 标准接口标准的特点 串行通信接口按电气标准及协议来分有l 峪- 2 3 2 、r s - 4 2 2 、l 峪4 8 5 、u 驰等r s - 2 3 2 、 r s 4 2 2 与r s - 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议u s b 是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域在计算机测控系统中， 由于串行接口的标准化，一般采用异步串行通信方式，以提高其通用性采用标准接口后， 能很方便地把d s p 系统和各种计算机、外部设备、测量仪器等连接起来实现数据传输在 选用接口标准时，应特别注意通信速率和通信距离以及对抗干扰性能的要求 r s - 2 3 2 接口是1 9 7 0 年由美国电子工业协会( e 队) 联合贝尔系统、调制解调器厂家及 计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准它的全名是。数据终端设备( 硝吧) 和数据通讯设备( d c e ) 之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用个2 5 个脚的d b 2 5 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以 规定d b 2 5 的串口一般只用到的管脚只有2 ( i b ) 、3 ( d ) 、7 ( g n d ) 这三个，随 着设备的不断改进。现在d b 2 5 针很少看到了，代替他的是d b 9 的接口d b 9 所用到的管 脚比d b 2 5 有所