基于ZigBee的电源监控技术

引言

对于电容传感器的测量来说，传统的电路方式有其无法克服的局限性。复杂的模拟电路设计，难以扩展的电容测量范围，都会给开发带来非常大的阻力。针对这一问题，我们设计了以带有内部DSP单片机的PCAP01为电容测量芯片的检测系统，该芯片会使电容测量提高到一个前所未有的水平。

1总体设计

电容式传感器的检测方法主要有：设计专用ASIC芯片；使用分立元件通过电容桥、频率测量等原理实现测量；使用通用电容检测芯片将电容转换为电压或其他量；新型的微弱电容测量电路等。从技术难度、测量精度等多方面考虑，本系统采用电容数字转换单芯片来完成对电容式传感器的检测，系统结构框图如图1所示。电容测量芯片选用德国ACAM公司的单芯片PCAP01。这颗芯片测量范围覆盖了从几fF到几百nF，而且可以非常简单地通过配置来满足各种不同应用的需求。单片机MSP430F149通过I/O端口对PCAP01内部寄存器进行配置，其通信方式为SPI串行通信。测量数据最终通过RS232串口传送到上位机进行处理、实时显示、存储等。上位机由普通微机构成。

2系统硬件设计

2.1MSP430F149简介

最小系统是由保证处理器可靠工作所必须的基本电路组成的，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、通信接口电路、数据存储电路。单片机MSP430F149的特点有：低功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式、多种存储器形式、适应工业级运行环境等。基于MSP430F149的通信接口电路原理图如图2所示。

2.2PCAP01简介及硬件原理图

PCAP01为带有单片机处理单元的一款专门进行电容测量的电容数字转换单芯片方案。PCAP01既适合超低功耗（最低至几个uA）的测量，也适合高精度（达到21位有效位）的高性能测量，还可以进行最高达50万次/秒的快速测量。这颗芯片提供了对于高精度测量、低功耗测量以及快速测量应用的完美结合。传感器数据可以在芯片内部进行现行校准，然后通过SPI或者I2C数据串行接口传送。另外，芯片还可以通过IO口来发送PWM/PDM输出电压信号。其余的IO口可以作为中断管脚，水平报警信号管脚或者普通IO口来应用。

PCAP01的具体硬件原理图如图3所示，本方案采用单一传感器漂移模式，最多可接3个传感器P1、P2、P3和一个参考电容，输出的方式为SPI串行通信方式，整体电路设计简单,所需元器件数量比较少。

3系统软件设计

系统软件主要分为单片机软件与上位机软件两部分。

3.1单片机软件设计

我们采用IARAssemblerforMSP430集成开发环境，使用C语言编写了单片机部分的开发程序，主要包括系统初始化、测量芯片寄存器初始化、测量与数据传输等。其基本流程如图4所示。

首先，单片机接收RS232发送来的指令就开始执行，接下来将标准固件和配置信息分别写到PCAP01芯片的RAM和寄存器中，然后开始测量，并返回测量获得的相对值，之后进行数据处理获得实际值并存储显示，其中，PCAP01芯片开始测量电容的具体实现代码如下：

voidStartPCap01(void)

{

SendSPI8(0x8A)；

//SendSPI8函数功能是为SPI端口

发送8位数据

//部分复位命令

SendSPI8(0x8C)；

//开始测量命令

delayMS(5)；

//等待100ms

Reg8=ReadRegSPI(8)；

//ReadRegSPI函数功能是读取

SPI端口接收的数据

//读取状态寄存器8

if((Reg8==0x100000)|(Reg8==0x900000))

{

Reg1=ReadRegSPI(0x1)；

//读取结果寄存器1

Reg2=ReadRegSPI(0x2)；

//读取结果寄存器2

Flag_BoardR_PCAP=1；

SDat[0]=0xCC；

//SDat为指向要发送的数据

SDat[1]=Reg1>>16&0xFF；

SDat[2]=Reg1>>8&0xFF；

SDat[3]=Reg1&0xFF；

SDat[4]=Reg2>>16&0xFF；

SDat[5]=Reg2>>8&0xFF；

SDat[6]=Reg2&0xFF；

SendLen=7；

}

else

{

Flag_BoardR_PCAP=0；

Reg1=0；

}

}

3.2上位机软件设计

采用VS2008软件和C#语言编写系统的上位机软件。软件功能主要包括设置参数，与下位机通信，数据实时图形化显示、存储和读取等。上位机软件界面设计如图5所示，测量效果显示的精度能够达到pF级。

图5上位机软件界面

4精度测试分析

在电容测量当中，导线的寄生电容对于整个测量的影响是不能忽略的。尤其当导线较长的情况下，导线寄生电容的影响会对测量结果有致命的影响。在PCAP01当中，可以对传感器的导线寄生电容进行有效补偿。对于高稳定性高精度的测量，我们使用连接传感器为漂移模式，来进行完全补偿。测试结果表明，该电容式传感器检测系统具有较高的检测精度。

5结语

综上所述，PCAP01单芯片方案使整体设计变得更加简单，电容测量性能更加优越和可靠，革新的单芯片电路以及可以自由选择的带有不同补偿方式的固件如线性补偿，不仅仅提升了电路测量的水平，同时也进一步提高了传感器本身的测量性能，使得测量精度达到较高水准。

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