PCAP01超高精電容傳感芯片+STM32+LabView可視化

一、PCAP01介紹

PCAP01Ax_0301是ACAM公司推出的一款單芯片電容測量方案集成芯片。該芯片集成了電容測量部分以及片內(nèi)哈弗架構(gòu)DSP，可以實(shí)現(xiàn)至高500kHZ的超高速電容測量以及數(shù)據(jù)處理。在溫濕度傳感、動力學(xué)傳感器、MEMS、液位傳感器、觸摸檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文章將抽絲剝繭的從70多頁的英文文檔中梳理出該芯片的配置過程。

1.1、PCAP01引腳定義

引腳	描述
BUFFCAP	Connect microfarad bypass capacitance and nanofarad bypass capacitance to GND. Bridge all BUFFCAP pins. Bypassing is mandatory! （簡言之：該引腳需要與所有BUFFCUP引腳相連，并且必須對地連接uF級別和nF級別的電容進(jìn)行去耦，一般選擇4.7uF和100nF）
GND	Ground
IIC_EN	Put this to LOW or GND for use of SPI bus. Put it to HIGH or VDD otherwise.(簡言之：拉低該引腳啟用SPI)
INTN	Optional. Interrupt line, low active
MISO_PG1	Serial interface data line, Master In - Slave Out (SPI only, otherwise available as general-purpose port)（簡言之：SPI通訊線）
MOSI_SDA	Serial interface data line, Master Out - Slave In（簡言之：SPI通訊線）
OXIN&OXOUT	May be left open. Very exceptionally used for connecting a 4 to 20 MHz ceramics resonator or quartz.(簡言之：外部晶振接口，一般不接)
PC0-PC7	“CDC” or capacitive measurement ports. Connect reference and sensors here, beginning with PC? for the reference.(簡言之：電容檢測引腳)
PCAUX	May be used for external discharge resistor.(外接泄壓電阻)
PG2-PG5	General purpose I/O ports. PG4 and PG5 are output only, others are configurable input or output.
PT0-PT1	“RDC” or temperature measurement ports. Connect one side of the external resistive sensors here.
PT2REF	When there is an external resistive (temperature measurement) reference, connect it here, otherwise this is the place for a third resistive sensor.(外接參考電阻)
PTOUT	For temperature measurement, connect the other side of the resistive sensors and a 33 nF ceramics capacitor here.(簡言之：溫度測量時，需要將該引腳通過33nF的電容進(jìn)行接地！這是必須，電容值必須33nF)
SCK_SCL	Serial interface clock line(SPI的時鐘線)
SSN_PG0	SPI interface chip select line, low active. Alternatively general purpose I/O port.(簡言之：SPI的片選信號線，拉低表示選中該芯片)
VDD	VDD here, plus bypass capacitance to GND. Bypassing is mandatory!
VPP_OTP	Set to 6.5 V during OTP programming. Set back to GND rapidly after the end of the programming process. Keep pin grounded for normal device operation. Apply a 470 kOhm pull-down resistor to this pin.（簡言之：在OTP編程的時候接上6.5V，變成結(jié)束迅速拉低，正常使用時應(yīng)當(dāng)拉低）

需要注意：當(dāng)芯片底部中心具有焊盤時，需要將該焊盤接地

1.2、電容測量

該傳感器通過給電容進(jìn)行充電后計(jì)算其放電時間換算出電容的容值。輸出的結(jié)果為：$\frac{t_N}{t_{ref}}=\frac{C_N}{C_{ref}}$.

PCAP01具有三種測量電容的方式；分別為浮動測量方式、接地測量方式以及差分測量方式。這些測量方式中，都規(guī)定C0為參考電容，因此該芯片最多支持3路浮動測量或者7路接地測量。其連接方式如下圖所示：

根據(jù)PCAP01的測量原理可知，要獲得精確的測量結(jié)果，就要求參考電容的精度足夠高。并且當(dāng)使用長線進(jìn)行電容測量時，需要使用屏蔽線，并將屏蔽線纜接地。同時、PCAP01具有內(nèi)部和外部補(bǔ)償測量模式、啟用后可以消除內(nèi)部和外部電路電阻的影響。

1.3、溫度測量

PCAP01支持內(nèi)部和外部溫度測量兩種模式，在一般的應(yīng)用場景下，內(nèi)部的溫度傳感器已經(jīng)符合要求。如圖3-14所示為外部測量模式、該模式下需要外接一個熱敏電阻PT1000以及一個超低溫漂的參考電阻。如果使用內(nèi)部模式、PCAP內(nèi)部具有一個2800ppm/K的熱敏電阻以及一個溫漂接近0ppm/K的參考電阻，直接懸空PT0以及PT2REF即可。

1.4、PCAP典型測試電路

本電路為浮動模式電容測量以及內(nèi)部溫度測量、使用SPI進(jìn)行通訊。

二、PCAP01的STM32驅(qū)動

PCAP01首先需要寫入固件，芯片才能正常運(yùn)行。官方提供了兩個版本的固件給用戶選擇，有能力的也可以自己編寫。固件地址：https://www.sciosense.com/pcap01-capacitance-to-digital-conversion-digital-signal-processor/

固件寫入完成后，就可以開始寄存器的相關(guān)配置，PCAP01的寄存器配置表如下所示：

讀寄存器表：


各個寄存器的每一位代表的配置詳見官方手冊。

2.1、SPI協(xié)議配置

如圖所示為PCAP01的SPI模式要求，在進(jìn)行STM32的SPI初始化的時候應(yīng)當(dāng)遵照表中要求對單片機(jī)的SPI外設(shè)進(jìn)行相應(yīng)的配置。

PCAP01的SPI為標(biāo)準(zhǔn)的四線全雙工SPI通訊，SSN引腳輸出一個短暫的高電平使能SPI傳輸，隨后數(shù)據(jù)隨著時鐘線的嘀嗒移入移出。

在寫時序中，只需要將待寫入的數(shù)據(jù)依次移出即可，但這里需要遵循PCAP01的寫入規(guī)則：

上述的意思是，在進(jìn)行寄存器寫入操作的時候，單幀數(shù)據(jù)的最高兩位為11，緊接著跟上寄存器的地址，例如寄存器0（Register0）的地址為0，則輸出數(shù)據(jù)前八位為11000000，即0xC0。其后再接上24位寄存器的配置值。
在讀時序中，需要先發(fā)送需要讀取的寄存器地址，然后等待一小段間隔再發(fā)送移位信號將PCAP01相關(guān)寄存器中的數(shù)據(jù)移出。需要注意的是，發(fā)送的起始兩位為01，綜上所述可知，如果要讀取Status寄存器的數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)為：0100 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000，轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制為：0x48000000。

2.2、PCAP01浮空電容測量內(nèi)部溫度測量操作流程

1. 首先測試SPI通訊是否正常：
2. 寫入PCAP01的固件
3. 配置各個寄存器，下面給出本例中的寄存器配置值

寄存器0：0xc04200FF （關(guān)閉OTP模式、開啟程序讀保護(hù)）
寄存器1：0xC1201022   (設(shè)置內(nèi)部晶振頻率50KHz)
寄存器2：0xc2FF460B   (開啟所有電容測量通道、浮動模式、泄壓電阻30kOhm,開啟內(nèi)外補(bǔ)償)
寄存器3：0xc3030010   (CDC的循環(huán)基準(zhǔn)20us，觸發(fā)周期20*16，16次平均)
寄存器4：0xc4080111   (時鐘觸發(fā)電容測量，CDC cycle time 40us，溫度測量280us，電容觸發(fā)溫度測量)
寄存器5：0xc500000A   (溫度測量不平均，十次電容測量觸發(fā)一次溫度測量)
寄存器6：0xc6004340
寄存器7：0xc71F0000   (固定)
寄存器8：0xc8800030   (設(shè)置程序空間，以及DSP的功耗)
寄存器9：0xc9FF000F   (設(shè)置脈沖輸出精度)
寄存器10：0xca180047  (設(shè)置DSP電壓)
寄存器13：0xcd000007  (設(shè)置脈沖的輸出數(shù)據(jù))
寄存器14：0xce002ff0  (設(shè)置輸出數(shù)據(jù)的斜率)
寄存器15：0xcf000000  (設(shè)置輸出數(shù)據(jù)的偏置)
寄存器19：0xD3200000  (設(shè)置內(nèi)部線性補(bǔ)償，默認(rèn)為1.0000，十六進(jìn)制為200000)
寄存器20：0xD4000001  (芯片開始工作)

4. 重置所有測量：SPI發(fā)送0x8A；
5. 開始測量：SPI發(fā)送0x8C；
6. 獲取對應(yīng)通道的測量值：例如：（c1/c0）SPI發(fā)送：0x41,隨后開始讀取
7. 將獲取的值除以0x1FFFFF，得到比例值的小數(shù)。
8. 將小數(shù)值乘以參考電容值，得到被測電容值。
9. 獲取溫度值（0x4E）（Rt/Rref）;
10. 根據(jù)公式：T=20+（（Rt/Rref/0x1FFFFF）-0.824） /0.0023072;計(jì)算出溫度

三、制定串口通訊協(xié)議

下位機(jī)發(fā)送協(xié)議，定長

Byte0	Byte1	Byte2-5	Byte6-9	Byte10-13	Byte14-17	Byte19
幀頭	數(shù)據(jù)長度	電容1數(shù)據(jù)	電容2數(shù)據(jù)	電容3數(shù)據(jù)	溫度數(shù)據(jù)	CRC校驗(yàn)
0x55	0x13

下位機(jī)接收，不定長

Byte0	Byte1	Byte2	Byte XXX	Byte Final
幀頭	數(shù)據(jù)長度	指令類型	指令內(nèi)容	CRC校驗(yàn)
0xAA

四、LabView上位機(jī)

LabView使用的是G語言，其編程方式和C有很大的區(qū)別，編程效率個人感覺遠(yuǎn)低于C語言，但是其直觀化的編程方式受到了許多科研人員的喜愛。上述為LabView的串口配置過程，通過VISA配置串口模塊進(jìn)行參數(shù)配置，隨后進(jìn)入順序片段等待配置完成。隨后就可以通過串口的VISA寫入和VISA讀取進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互了。

獲取到數(shù)據(jù)之后對數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析，將解析出的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)后通過波形圖進(jìn)行顯示。

點(diǎn)擊采集和保存，通過上述的程序?qū)鞲衅饕欢螘r間內(nèi)的數(shù)據(jù)保存為CSV文件。
由于LabView是框圖編程，程序的整體結(jié)構(gòu)如下，

最終實(shí)現(xiàn)效果如圖：

需要整個工程完整代碼請私聊。