CN103697919B - 一种基于dsp的平面电容传感器测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是由平面电容传感器、由DDS和差分放大电路构成的驱动电路、调理电路、前级滤波电路、A/D、DSP、外扩SRAM、LCD、键盘、铁电存储、电源监测、数字电源以及模拟电源组成。本发明系统采用DSP控制DDS并经差分放大电路输出不同频率的正弦驱动信号，驱动平面电容传感器驱动电极；同步采样正弦驱动信号和平面电容传感器感应电极输出信号；采用频谱分析方法计算信号的幅值和相位差，并利用幅值比和相位差计算平面电容传感器极间电容和电导。该系统频率测量范围宽、运算速度快、测量精度高。

Description

一种基于DSP的平面电容传感器测量系统

技术领域

本发明涉及介电测量领域，为一种平面电容传感器测量系统，用于实现介电材料的物理特性，如含水量、多孔性、厚度、粘度等测量。

背景技术

平面电容传感器的电极分布在同一平面，具有单边穿透、信号强度可调和层析成像的优点，被广泛应用于工业过程控制中产品性能，如多孔性、含水量、密度、粘度等的无损测量。

平面电容传感器包括驱动电极和感应电极，在驱动电极上施加一定频率和幅值的正弦波驱动信号时，驱动电极与感应电极之间产生电场，电力线穿过被测材料，在两电极之间产生电容和电导，通过测量平面电容传感器电极间电容电导的变化实现介电材料物理特性的测量。由于介电材料的物理特性随着频率的变化而变化，为了准确测量物理特性，需要实现平面电容传感器在不同频率下的测量。平面电容传感器极间电场呈非线性分布，相对于传统的电容传感器，平面电容传感器的的输出阻抗很高，极间电容更小，易受外界杂散电容和噪声的干扰，要求测量系统具有较强的抗干扰特性。

目前存在的平面电容传感器测量系统大多数采用上位机控制信号发生器产生不同频率的正弦驱动信号，再利用数据采集卡采集正弦感应信号送入上位机计算，系统体积大、价格高、不易携带，现场测量多有不便；部分采用单片机控制模数转换器DA产生正弦驱动信号，但产生的频率范围有限且精度不高。对于平面电容传感器感应电极输出信号的测量大多数使用直流充放电电路或振荡电路，将正弦感应信号转换为直流信号，AD采样后直接计算幅值，然后通过查表获得幅值与电容之间的关系，其电路简单、成本低，但是无法消除杂散电容和电荷注入效应等干扰，不能同步采样正弦驱动信号和正弦感应信号，测量时间长，精度不高。

发明内容

本发明是为了克服现有技术所存在的不足之处，提供一种基于DSP的平面电容传感器测量系统。以数字信号处理器DSP为核心，控制直接数字频率合成器DDS产生频率可调的正弦驱动信号；以电容负反馈放大电路处理正弦感应信号，采用频谱分析方法计算并利用频谱校正提高精度。

本发明为解决技术问题采用技术方案是：

本发明基于DSP的平面电容传感器测量系统的特点是：

系统构成包括平面电容传感器、由直接数字频率合成器DDS和差分放大电路构成的驱动电路、调理电路、前级滤波电路、A/D电路、DSP、外扩SRAM、铁电存储以及电源监测电路；

设定测量系统利用平面电容传感器进行测量的起始频率为F_s、终止频率为F_E、总测量点数为N；所述DSP根据设定的起始频率F_s、终止频率F_E及总测量点数N计算得到每一个测量点对应的频率f_i，i=1,2,3…,N，控制所述DDS产生频率为f_i的单极性正弦信号，并经所述差分放大电路输出幅值可调的正弦驱动信号，所述正弦驱动信号分别送至前级滤波电路和平面电容传感器的驱动电极；所述前级滤波电路对正弦驱动信号处理后送至A/D电路；所述平面电容传感器的驱动电极在正弦驱动信号的激励下，在其感应电极输出同频率正弦感应信号并经所述调理电路处理后送至前级滤波电路；所述前级滤波电路对正弦感应信号处理后送至A/D电路；

所述A/D电路按照设定的采样频率，同步采样所述滤波电路处理后的正弦驱动信号和正弦感应信号并传送到所述DSP；所述采样频率根据由所述起始频率F_s和所述终止频率F_E确定的频率范围进行分段设置；

所述DSP对同步采样得到的可能混有噪声的正弦驱动信号和正弦感应信号进行数字滤波，再采用基于快速傅里叶变换FFT的功率谱分析方法对滤波后的数据做功率谱计算和频谱校正，得到正弦驱动信号和正弦感应信号的幅值和相位；利用正弦驱动信号和正弦感应信号之间的幅值比A和相位差计算频率f_i，i=1,2,3…,N，条件下平面电容传感器极间电容C_i，和电导G_i，i=1,2,3…,N；

所述系统在完成一个频率的测量之后更新频率重复测量过程，直至完成N个测量点的测量。

本发明基于DSP的平面电容传感器测量系统的特点也在于：

所述单极性正弦信号的频率f_i由式(1)获得

$f_i=F_s{\left(\frac{F_E}{F_s}\right)}^{\frac{i}{N-1}}---\left(1\right).$

设置所述调理电路为电容负反馈放大电路，所述电容负反馈放大电路中的反馈回路由并联设置的反馈电容和反馈电阻构成；所述平面电容传感器在所述频率f_i条件下的极间电容C_i和电导G_i分别按式(2)和式(3)获得：

式（2）和（3）中，φ是并联设置的反馈电容和反馈电阻在频率f_i条件下的产生的相位，为阻抗增益，C_F反馈电容的容值，R_F为反馈电阻的阻值。

所述差分放大电路由运算放大器U4B构成，在所述运算放大器U4B的反向输入端设置由运算放大器U4A构成的跟随电路，用于去除所述单极性正弦信号的直流偏置。

所述DSP利用其内部事件管理器中PWM输出信号的上升沿启动A/D转换，所述PWM输出信号的频率即为采样频率；所述A/D在一次采样完成后，向DSP发送中断请求，由所述DSP内部SPI模块读取数据；当所述A/D采样点数小于或等于512点时，所述数据存储到DSP上的SRAM，当所述A/D采样点数大于512点时，所述数据存储到外扩SRAM。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明中DSP根据设定的起始频率F_s、终止频率F_E及总测量点数N计算得到每一个测量点对应的频率f_i，i=1,2,3…,N，控制DDS产生频率为f_i的单极性正弦信号；系统集成度好，频率精度高，可以实现频率自动更新，连续测量，现场测量方便。

2、本发明中处理平面电容传感器感应极输出信号的调理电路为电容负反馈放大电路。可以通过采用高输入阻抗、低输入偏置电流的精密运算放大器，抗干扰强。

3、本发明以同步A/D为核心的采样电路实现同步采样，根据起始频率F_s、终止频率F_E确定的频率测量范围分段设置采样频率，利用外扩SRAM增加采样点数，提高测量精度。

4、本发明采用频谱分析处理平面电容传感器正弦驱动信号和正弦感应信号，利用频谱校正提高计算精度，保证实时性。

附图说明

图1是本发明系统的硬件框图；

图2是本发明系统中的差分放大电路原理图；

图3是本发明系统中的直流偏置产生电路原理图；

图4是本发明系统中的前级滤波电路原理图；

图5是本发明系统中的调理电路原理图；

图6是本发明系统中的A/D芯片理图；

图7是本发明系统中的电源监测电路原理图；

图8是本发明系统中的铁电存储电路原理图；

图9是本发明系统中的软件框图；

图10是本发明系统中的主监控程序流程图；

图11是本发明系统中的驱动控制模块流程图；

图12是本发明系统中的调理控制模块流程图；

图13是本发明系统中的计算模块流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施中的系统构成包括平面电容传感器、由直接数字频率合成器DDS和差分放大电路构成的驱动电路、调理电路、前级滤波电路、A/D电路、DSP、外扩SRAM、铁电存储、电源监测电路。

图1中平面电容传感器包括驱动电极和感应电极，可以由一对电极或多对电极构成；多对电极相邻的驱动电极或感应电极距离可以相同，也可以不相同。

系统分为数字部分和模拟部分，两部分使用的芯片对电源的要求不同，数字部分工作电流最大为600mA，模拟部分工作电流最大为220mA。将电源分为数字电源和模拟电源两部分，数字电源先由DC/DC电路将+12V降至+4V，再由双输出通道的LDO将+4V转换成+3.3V和+1.9V供系统数字电源，提高转换效率，降低功耗；模拟电源使用三端稳压器将±12V分别降为±9V和+5V供系统模拟电源。

设定测量系统利用平面电容传感器进行测量的起始频率为F_s、终止频率为F_E、总测量点数为N；DSP根据设定的起始频率F_s、终止频率F_E及总测量点数N计算得到每一个测量点对应的频率f_i，i=1,2,3…,N，控制DDS产生频率为f_i的单极性正弦信号，并经差分放大电路输出幅值可调的正弦驱动信号。本实施例中，DSP将频率控制字经SPI接口写入DDS中，DDS输出的单极性正弦波信号送至如图2所示由运算放大器U4B和电阻R35、R37、R38、R40和电容C177构成的差分放大电路。其中运算放大器U4B和电阻R35、R37、R38、R40实现差分放大，以电阻R35、电容C177和运算放大器U4B构成一阶有源低通滤波器，滤除信号中的高频噪声；差分电路的直流分量由运算放大器U4A和电容C57、C58以及电阻R36构成的跟随电路提供，跟随电路的0.3V直流输入由直流偏置产生电路产生。

如图3所示，直流偏置产生电路设置为：由电源芯片U17和电阻R99、电容C128、C129、C130输出2.5V的直流电平，再由运算放大器U18和电容C131、C132、C133、C135组成的跟随电路保证输出能力，其中电容C131、C132、C133的容量为三个不同的数量级，用于滤除输出电压中的多个频段的噪声，2.5V的直流电平由1%精度的分压电阻R60、R65、R67分压，得到0.3V的直流电压。

参见图4，本实施例中正弦驱动信号分别送至前级滤波电路和平面电容传感器的驱动电极。前级滤波电路是由运算放大器U1A，电阻R1、R2、R3、R4、R81，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C15、C17构成。其中，电阻R1和电容C3为反馈电阻和反馈电容，构成两个反馈通道，电阻R1和R2的比值即为电路的放大倍数；同时运算放大器U1A和电阻R1、R2、R4，电容C3、C6构成二阶巴特沃斯有源低通滤波器，滤除高频噪声，保持幅频特性的最大平坦度，其截止频率由电阻R1、R2、R4，电容C3、C6决定；R81为平衡电阻，用来平衡运算放大器的两输入端的失调电压；电阻R3和电容C4、C5构成一个低通滤波器，防止射频噪声耦合进模拟信号，并消除A/D的采样噪声对模拟信号的影响。电容C1、C2和电容C15、C17分别为运放的正负电源提供电源去耦。

前级滤波电路对正弦驱动信号处理后送至A/D电路；平面电容传感器的驱动电极在正弦驱动信号的激励下，在其感应电极输出同频率正弦感应信号并经调理电路处理后送至前级滤波电路。

如图5所示，调理电路由运算放大器U26、电容Cf1、Cf4、C165、C168，电阻R75、R76、R91、R101，二极管D14、D15，三极管Q2、Q3，继电器K2、K3构成。其中，运算放大器U26具有高输入阻抗、低输入偏置电流；电阻R91为反馈电阻，电容Cf1、Cf4为反馈电容，其中Cf1一直接入电路，当需要使用Cf4并入反馈通道时，DSP的一个GPIO引脚提供一个高电平，经电阻R76，导通三极管Q3，继电器K3的电源经Q3接地从而导通，继电器K3常开触点吸合，将Cf4并到Cf1上，增加反馈电容容量；为了消除反馈电容上残余电荷对测量的影响，在测量开始时，首先并上Cf4，再由DSP的控制GPIO接口通过发出高电平经电阻R75导通三极管Q2，吸合继电器K2，短接反馈电容两端，泄放残余电荷，二极管D14、D15为继电器K2、K3的线圈放电二极管；电阻R91为反馈电阻，建立运放的直流反馈通道，建立稳定的直流工作点，电阻R101为平衡电阻，平衡运算放大器两输入端的失调电压；为了保证测量精度，反馈电容选择容值稳定、温漂小的聚丙烯薄膜电容、反馈电阻选择1%精度、温漂小的金属膜电阻。

如图6所示，前级滤波电路对正弦感应信号处理后送至A/D电路，本实施例中的A/D电路由模数转换器U2，电容C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C16、C27、C28、C29、C31、C32、C34、C35、C36、C37、C39、C40，电阻R8、R12、R16、R21和磁珠L1组成。其中模数转换器U2可以同步采集6通道输出信号，采用串口通讯时的最高采样率可达450KSPS。电容C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C16为A/D模拟电源+5V的去耦电容，每个电容都放置在电源引脚附近处；电容C27、C28、C29为A/D内部三个参考源的去耦和稳压电容；电容C31、C32、C34、C35为A/D模拟输入范围的±9V电源的去耦电容；电容C36、C37为+3.3V数字电源退耦电容，磁珠L1起到隔离芯片电源引脚和电源的作用；电容C39、C40为外部参考电压源电平在进入A/D之前的去耦和稳压电容，其中R21起到隔离芯片引脚和运放输出引脚的作用；电阻R8、R12、R16为数字信号线上的平衡电阻。

A/D电路按照设定的采样频率，同步采样滤波电路处理后的正弦驱动信号和正弦感应信号并传送到DSP；采样频率根据由起始频率F_s和终止频率F_E确定的频率范围进行分段设置；

本实施中系统的信号范围为3Hz-5KHz，若使用一个固定的采样率来采集数据，为满足采样定理，采样率要满足信号最高频率即5KHz的两倍，即10KHz，在低频驱动信号条件下，将会产生很大的计算误差，要保证测量精度，就无法满足实时性要求。例如10KHz采集3Hz信号时，要使测量精度达到1%，则需要采集286666点，无法满足实时性要求。为了在保证测量精度的同时满足实时性要求，系统分六段设置采样频率，最低采样频率为768Hz，最高采样频率为40KHz。在低频段，通过采用频率校正，进一步提高测量精度。

DSP对同步采样得到的可能混有噪声的正弦驱动信号和正弦感应信号进行数字滤波，再采用基于快速傅里叶变换FFT的功率谱分析方法对滤波后的数据做功率谱计算和频谱校正，得到正弦驱动信号和正弦感应信号的幅值和相位；利用正弦驱动信号和正弦感应信号之间的幅值比A和相位差计算频率f_i，i=1,2,3…,N，条件下平面电容传感器极间电容C_i，和电导G_i，i=1,2,3…,N；

系统在完成一个频率的测量之后更新频率重复测量过程，直至完成N个测量点的测量。

单极性正弦信号的频率f_i由式(1)获得

$f_i=F_s{\left(\frac{F_E}{F_s}\right)}^{\frac{i}{N-1}}---\left(1\right).$

在给定起始频率为F_s、终止频率为F_E的情况下，对测量频率点的取样有平均取样和对数取样两种方式，平均取样即是将驱动频率的量程按照固定的步长平均分配，这种方法计算简单，但是缺点在于取点密度不一致，造成低频率段稀疏。对数取样使用取对数计算方式计算当前点数下的频率，可以使高低频率段的取点密度一致。按照对数取样，

${\log f}_i={\log F}_s+\frac{i}{N-1}\log \frac{F_E}{F_s}$

可以计算出第i点的频率f_i。根据f_i判断处于哪个频率段，选择对应的采样率。

设置调理电路为电容负反馈放大电路，电容负反馈放大电路中的反馈回路由并联设置的反馈电容和反馈电阻构成；平面电容传感器在频率f_i条件下的极间电容C_i和电导G_i分别按式(2)和式(3)获得：

式（2）和（3）中，φ是并联设置的反馈电容和反馈电阻在频率f_i条件下的产生的相位，为阻抗增益，C_F反馈电容的容值，R_F为反馈电阻的阻值。

在测量过程中，需要根据调理电路输出信号的幅值来选择使用不同容值的反馈电容，采样调理电路输出信号，计算出幅值，若超出设置的范围，再将第二个反馈电容并入调理电路反馈通道。

差分放大电路由运算放大器U4B构成，在运算放大器U4B的反向输入端设置由运算放大器U4A构成的跟随电路，用于去除单极性正弦信号的直流偏置。

DSP利用其内部事件管理器中PWM输出信号的上升沿启动A/D转换，PWM输出信号的频率即为采样频率；A/D在一次采样完成后，向DSP发送中断请求，由DSP内部SPI模块读取数据；当A/D采样点数小于或等于512点时，数据存储到DSP上的SRAM，当A/D采样点数大于512点时，数据存储到外扩SRAM。

外扩SRAM与DSP之间通过16位并口连接，由DSP控制、读写数据，增加系统的存储容量。当A/D采样次数大于512点时，数据存储到外扩SRAM。

如图7所示，本实施例中设置电源监测电路是由监测芯片U25，电阻R71、R72、R73、R97和退耦电容C164组成。其中，电阻R72、R73的比值确定了掉电保护的阈值电压，电阻R97起到隔离芯片电源引脚和电源的作用。保证系统在电源出现问题如掉电、电压下降等情况下保存重要数据。

电源监测电路监测到电源故障后向DSP提出中断请求，并在系统完全掉电之前，将极间电容C_i和电导G_i、当前的测量点i、频率f_i保存到FRAM芯片U24，退耦电容C159、C163和电源隔离电阻R95组成的铁电存储电路中。如图8所示。U24与DSP采用SPI协议通讯，芯片的三个引脚连接到DSP的三个GPIO口，这三个GPIO口模拟SPI模块，实现与U24的通讯。

系统的软件采用模块化设计，主要包括有主监控程序、初始化模块、驱动控制模块、数据采集模块、信号处理模块、调理控制模块、计算模块、人机接口模块、看门狗模块、掉电保护模块。由主监控程序统一调度使用。软件框图如图9所示。

主监控程序实现对系统的控制，调度各个子模块实现系统功能，工作过程是：系统上电后，进行DSP和外设的初始化，LCD显示初始画面，通过键盘设定测量系统利用平面电容传感器进行测量的起始频率为F_s、终止频率为F_E、总测量点数为N后启动测量；DSP根据设定的起始频率F_s、终止频率F_E及总测量点数N计算得到每一个测量点对应的频率f_i，i=1,2,3…,N，和对应的分段采样率，由驱动模块更新驱动信号频率和采样率，进行测量，计算出传感器极间电容和极间电导值，并实时显示，所有频率点测量未完成则进入循环，更新驱动信号频率后继续测量，所有频率点测量完成后开始新的测量。主监控程序流程图如图10所示。

驱动控制模块根据起始频率为F_s、终止频率为F_E、总测量点数为N计算出各点的信号频率，确定采样率，在更新DDS输出信号频率时，切断驱动电路和传感器的连接，并同时泄放掉反馈电容上的残余电荷，在反馈电容放电和频率更新完成后再接通驱动电路和传感器，如图11所示。

在测量过程中，需要根据调理电路输出信号的幅值来选择使用不同容值的反馈电容，图12是调理控制模块的流程图，首先采样调理电路输出信号，计算出幅值，若超出设置的范围，再将第二个反馈电容并入调理电路反馈通道。如图12所示。

计算模块包含了系统中进行数值计算的所有子程序，包括数字滤波子程序、幅值相位差计算子程序、电容电导计算子程序。系统使用数字滤波和频谱分析的方式来处理传感器驱动信号和调理电路输出信号，首先对采样得到的数据进行数字滤波，然后对采样数据进行快速傅里叶变换(FFT)，计算功率谱，对一个频率点进行多次测量，按相同的方式计算，将多次计算结果进行平均，计算出正弦驱动信号和正弦感应信号的幅值、相位，采用频谱校正提高计算精度。利用正弦驱动信号和正弦感应信号之间的幅值比A和相位差计算频率f_i，i=1,2,3…,N，条件下平面电容传感器极间电容C_i，和电导G_i，i=1,2,3…,N，如图13所示。

Claims (4)

1.一种基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是：

系统构成包括平面电容传感器、由直接数字频率合成器DDS和差分放大电路构成的驱动电路、调理电路、前级滤波电路、A/D电路、DSP、外扩SRAM、铁电存储以及电源监测电路；

设定测量系统利用平面电容传感器进行测量的起始频率为F_s、终止频率为F_E、总测量点数为N；所述DSP根据设定的起始频率F_s、终止频率F_E及总测量点数N计算得到每一个测量点对应的频率f_i，i＝1,2,3…,N，控制所述DDS产生频率为f_i的单极性正弦信号，并经所述差分放大电路输出幅值可调的正弦驱动信号，所述正弦驱动信号分别送至前级滤波电路和平面电容传感器的驱动电极；所述前级滤波电路对正弦驱动信号处理后送至A/D电路；所述平面电容传感器的驱动电极在正弦驱动信号的激励下，在其感应电极输出同频率正弦感应信号并经所述调理电路处理后送至前级滤波电路；所述前级滤波电路对正弦感应信号处理后送至A/D电路；

所述A/D电路按照设定的采样频率，同步采样所述滤波电路处理后的正弦驱动信号和正弦感应信号并传送到所述DSP；所述采样频率根据由所述起始频率F_s和所述终止频率F_E确定的频率范围进行分段设置；

所述DSP对同步采样得到的可能混有噪声的正弦驱动信号和正弦感应信号进行数字滤波，再采用基于快速傅里叶变换FFT的功率谱分析方法对滤波后的数据做功率谱计算和频谱校正，得到正弦驱动信号和正弦感应信号的幅值和相位；利用正弦驱动信号和正弦感应信号之间的幅值比A和相位差计算频率f_i，i＝1,2,3…,N，条件下平面电容传感器极间电容C_i，和电导G_i，i＝1,2,3…,N；

所述系统在完成一个频率的测量之后更新频率重复测量过程，直至完成N个测量点的测量；

设置所述调理电路为电容负反馈放大电路，所述电容负反馈放大电路中的反馈回路由并联设置的反馈电容和反馈电阻构成；所述平面电容传感器在所述频率f_i条件下的极间电容C_i和电导G_i分别按式(2)和式(3)获得：

式(2)和(3)中，φ是并联设置的反馈电容和反馈电阻在频率f_i条件下的产生的相位，为阻抗增益，C_F反馈电容的容值，R_F为反馈电阻的阻值。

2.根据权利要求1所述的基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是：所述单极性正弦信号的频率f_i由式(1)获得

$f_i=F_s{\left(\frac{F_E}{F_s}\right)}^{\frac{i}{N-1}}---\left(1\right).$

3.根据权利要求1所述的基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是：所述差分放大电路由运算放大器U4B构成，在所述运算放大器U4B的反向输入端设置由运算放大器U4A构成的跟随电路，用于去除所述单极性正弦信号的直流偏置。

4.根据权利要求1所述的基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是：所述DSP利用其内部事件管理器中PWM输出信号的上升沿启动A/D转换，所述PWM输出信号的频率即为采样频率；所述A/D在一次采样完成后，向DSP发送中断请求，由所述DSP内部SPI模块读取数据；当所述A/D采样点数小于或等于512点时，所述数据存储到DSP上的SRAM，当所述A/D采样点数大于512点时，所述数据存储到外扩SRAM。