CN113567513A

CN113567513A - 低功耗平面电容传感器测量系统及电路

Info

Publication number: CN113567513A
Application number: CN202110707999.3A
Authority: CN
Inventors: 黄云志; 解振洋; 徐笑; 杨双龙; 梁利平
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2021-10-29

Abstract

本发明提供一种低功耗平面电容传感器测量系统和电路，涉及介电测量技术领域。该系统包括单片机、平面电容传感器、驱动电路、调理电路、滤波电路和A/D电路。单片机控制驱动电路中的DDS产生高精度扫频正弦驱动信号，经一级同相放大电路放大，通过选通开关选择驱动平面电容传感器相应通道的驱动电极，平面电容传感器感应电极的感应信号经调理电路调理输出与驱动信号同时经模拟滤波电路输出，输出信号由两通道同步A/D采集进单片机，单片机对信号进行自适应滤波处理、频谱分析，获得驱动信号与调理输出信号的幅值、相位差，计算出平面电容传感器容值，输出测量结果。本发明以低功耗单片机为控制核心，与其它外围低功耗器件构成测量系统，能有效降低功耗。

Description

低功耗平面电容传感器测量系统及电路

技术领域

本发明涉及介电测量技术领域，具体涉及一种低功耗平面电容传感器测量系统及电路。

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。

现有技术中，如专利一种基于DSP的平面电容传感器测量系统，(专利号：ZL201310743347.0)。该系统平面电容传感器、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、数字电源和模拟电源。系统采用DSP控制DDS并经差分放大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幅值和相位差，并利用幅值比与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。

然而，该系统的功耗大。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种低功耗平面电容传感器测量系统，解决了现有的平面电容传感器测量系统的功耗大的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种低功耗平面电容传感器测量系统，包括：单片机、平面电容传感器、驱动电路、调理电路、滤波电路和A/D电路；

所述单片机控制驱动电路产生驱动信号，驱动所述平面电容传感器的驱动电极；

所述平面电容传感器的感应电极输出感应信号；

所述调理电路对感应信号进行调理，得到调理输出信号；

所述滤波电路对所述调理输出信号和驱动信号进行滤波处理；

所述A/D电路对所述滤波后的调理输出信号和滤波后的驱动信号进行同步采样；

所述单片机对采样信号进行频谱分析，获得驱动信号与调理输出信号的幅值、相位差，计算出传感器容值，输出测量结果。

优选的，所述单片机对所述数字信号进行频谱分析之前，还包括：

采用构建的二阶自适应滤波器对驱动信号与调理输出信号进行信号处理，滤波器的S域模型如式(1)所示：

取s＝jω，

ξ₁/ξ₂＝λ，代入式(1)获得H(s)的幅频特性如下：其对应的频率模型如式(2)所示：

当λ＝2时，所构造函数即为带通滤波函数，其幅频函数如下式所示：

构建二阶模型为带通滤波器，假设带通滤波器的截止频率分别为ω₁与ω₂，且有|H(jω₁)|²＝|H(jω₂)|²，那么，取|H(jω₁)|²＝|H(jω₂)|²＝χ²，则χ²为H(s)在ω₁处的模方值，将χ²带入式(2)得到：

其中，0＜χ＜1，为自定义截止频率处的衰减倍数。

优选的，所述单片机包括MSP430F6459芯片，所述MSP430F6459芯片在频谱分析之前，还包括：

对MSP430F6459芯片主频进行校正，根据MSP430F6459芯片理论上的主频值输出一定频率的PWM波，并通过实测PWM波的输出频率来计算单片机的实际主频。

优选的，所述A/D电路包括两片单通道低功耗A/D芯片。

优选的，所述系统还包括：

LCD，

和/或，按键，

和/或，RS323，

和/或，电源电路，所述电源电路包括三个供电电压等级，分别为+5V、+3.3V、+2.5V，所述电源电路的供电电池为+7.2V的锂电池组，+5V电源由+7.2V电池经过一级固定输出LDO直接获得，+2.5V电源由+5V电源经一级固定输出的LDO获得，+3.3V电源由单片机片上集成的LDO输出获得。

第二方面，本发明提供一种低功耗平面电容传感器测量电路，包括：平面电容传感器、单片机、驱动电路、调理电路、滤波电路、第一A/D电路和第二A/D电路；

所述驱动电路的输入端与所述单片机连接；驱动电路输出端分别与平面电容传感器的输入端、滤波电路的输入端连接，

所述调理电路的输入端与所述平面电容传感器的输出端连接，输出端与所述滤波电路的输入端连接；

所述第一滤波电路的输出端分别与所述第一A/D电路的输入端、所述第二A/D电路的输入端连接；

所述第一A/D电路的输出端、第二A/D电路的输出端与所述单片机连接。

优选的，所述单片机对第一A/D电路和第二A/D电路的采样信号进行滤波处理、频谱分析；所述滤波处理包括：

取s＝jω，

其中，0＜χ＜1，为自定义截止频率处的衰减倍数。

优选的，所述低功耗平面电容传感器测量电路还包括：

LCD，

和/或，按键，

和/或，RS323，

优选的，所述第一A/D电路和第二A/D电路的电路拓扑相同，包括：单通道AD芯片和无源低通滤波器，所述无源低通滤波器与所述单通道AD芯片输入IO口连接。

优选的，所述调理电路包括缓冲放大电路和电容放大电路，所述缓冲放大电路与电容放大电路连接。

(三)有益效果

本发明提供了一种低功耗平面电容传感器测量系统及电路。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明的低功耗平面电容传感器测量系统及电路，以低功耗单片机为控制核心，与其它外围低功耗器件构成测量系统，能有效降低测量系统的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的硬件框图；

图2是本发明实施例的电源电路；

图3是本发明实施例的放大电路原理图；

图4是本发明实施例的调理电路；

图5是本发明实施例的滤波电路；

图6是本发明实施例的两路A/D电路；

图7是本发明实施例的软件框图；

图8是本发明实施例的软件流程图；

图9是本发明实施例的二阶自适应函数模型的伯德图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种低功耗平面电容传感器测量系统及电路，解决了现有的平面电容传感器测量系统的功耗大的技术问题，实现以低功耗单片机为控制核心，与其它外围低功耗器件构成测量系统，有效降低系统的功耗。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例为了克服现有技术中存在的不足，提出一种低功耗平面电容传感器测量系统及电路。系统以低功耗单片机为控制核心，与其它外围低功耗器件构成测量系统，降低功耗；将双极性信号传递方式为单极性信号传递方式；采用单片机主频校正的方式来保证采样率精度；采用构建的二阶自适应带通滤波器提高输出信号的信噪比，保证测量精度。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供了一种低功耗平面电容传感器测量系统，该系统包括单片机、平面电容传感器、驱动电路、调理电路、滤波电路和A/D电路。单片机控制驱动电路中的DDS产生高精度扫频正弦驱动信号，经一级同相放大电路放大驱动平面电容传感器驱动电极，平面电容传感器感应电极的感应信号经调理电路调理输出与驱动信号同时经模拟滤波电路输出，输出信号由两通道同步A/D采集进单片机，单片机对信号进行自适应滤波处理、频谱分析，获得驱动信号与调理输出信号的幅值、相位差，计算出平面电容传感器容值，输出测量结果。

在本发明实施例中为保证测量系统的低功耗要求，系统采用单电源供电方式，为方便现场测量，测量系统采用电池供电。目前市场上的主流供电电压等级为手机供电电池使用的+7.2V，因此本发明实施例的测量系统采用+7.2V的锂电池组作为供电电源；为提高电源的转换效率，该测量系统直接使用LDO(低压差线性稳压器)进行供电，且仅设计了三个供电电压等级：+5V、+3.3V、+2.5V。如图1～2所示，+5V电源由+7.2V电池直接经过一级固定输出LDO直接获得，+2.5V电源由+5V电源再经一级固定输出的LDO获得，+3.3V电源由单片机片上集成的LDO输出获得。在本发明实施例中，所有器件均采用单电源供电的低功耗器件，所有的元器件的供电电源的都必须满足+5V、+2.5V和+3.3V三个电压等级之一，本发明实施例选择+5V为模拟部分供电，+2.5V为A/D供电，+3.3V为数字部分供电；

通过上述可知，该系统采用单电源的供电方式，因此测量系统采用单极性的信号传递方式。驱动信号采用单片机控制DDS输出单极性的正弦信号，该信号经图3所示同相放大电路进行放大增加驱动能力，用以驱动平面电容传感器。图3中U4输出端信号驱动平面电容传感器驱动电极，感应信号经调理电路调理输出。

调理电路如图4所示，调理信号由R100接入，R100用作电路调试使用。平面电容传感器的感应电极输出的电流信号经U8、R7、cf1构成的缓冲放大电路进行压流转换，调理输出与驱动信号同频的正弦信号。cf1的主要作用是进行缓冲放大与压流转换，R7的主要作用是为直流信号提供一个反馈路径，稳定直流工作点。信号采用单极性的信号传递方式，因此在U8的正相输入端添加一个+2.5V的直流偏置。每一次测量之前，上一次测量时反馈电容cf1上的残存电荷都会对本次测量产生影响，因此，该测量系统设计了反馈电容放电电路，该反馈电容放电电路由图4中单刀双掷开关U9与放电电阻R8构成。

信号调理输出后与驱动信号同时经过一级滤波电路滤波输出。滤波电路采用结构简单的二阶巴特沃斯低通滤波器。为节约PCB成本，滤波器使用如图5所示的布板面积小的双运放U10。R9、R10、R11、R12、C30、C31、C34、C35决定了低通滤波器的截止频率。

两路信号的滤波输出结果经A/D电路采集进单片机进行信号处理，所设计A/D电路需满足两路信号同步采样与低功耗需求。A/D电路如图6所示，采用两片超低功耗的单通道A/D芯片U11与U12来模拟同步采样电路，两片A/D使用相同的数据启动转换信号、各自不同的片选信号、时钟信号、数据传递信号。R13、C37、C38，R14、C42、C43构成了两路无源低通滤波器，对滤波电路的输出信号进行再次滤波，有效避免信号采集时掺杂高频噪声。

需要说明的是，在图2～图6中，在附图中未找到与其相互连接的网络标号的连接端，该连接端是与MSP430F6459芯片的引脚相连接的，此为公知常识，此处不再赘述。

在具体实施过程中，该系统还包括用于实时显示LCD，用于设置参数的按键，以及用于串行通讯的RS323。同时，系统中的平面电容传感器采用多通道设计，驱动信号通过低功耗模拟开关选通以驱动不同通道的传感器，选通信号由单片机的GPIO口输出的高低电平进行控制，实现多通道顺序测量。

在具体实施过程中，数据采集之前，对MSP430F6459芯片主频进行校正，芯片的内部定时器根据MSP430F6459芯片理论上的主频值输出一定频率的PWM波，并通过实测PWM波的输出频率来计算单片机的实际主频。该操作能有效降低系统功耗，保证采样率精度，提高后期信号处理的精度。

信号采集完成后由单片机进行信号处理。根据整个测量流程，测量系统设计了如图7所示的程序模块。各个程序模块由主监控程序进行监控与调用。

测量系统的程序执行如图8所示。首先对单片机进行初始化，包括系统初始化与外设初始化；初始化完成之后进行测量参数的设置(测量参数由按键设置)，包括起止频率及测量点数；待测量参数设置完成之后，开始测量，首先根据测量参数更新信号频率及设置采样频率，而后进行驱动调理控制，对反馈电容进行电荷泄放以及接入驱动信号；信号稳定后，进行数据采集，待数据采集完成后，进行自适应滤波处理、频谱分析并根据测量原理计算传感器电容值；待所有测量通道与所有频率点更新完成后，显示测量结果。

信号进入单片机后，首先进行一级数字滤波，滤波器采用在S域构建的二阶模型获得。

在S域构建的二阶自适应滤波函数模型的传递函数如下：

取s＝jω，

ξ₁/ξ₂＝λ，代入式(1)获得H(s)的幅频特性如下：

当λ＝2时，所构造函数即为一带通滤波函数，其幅频函数如下式所示：

在信号频率ωn处，有a＝1，带入上式，可知连续域下在信号频率ωn处的幅值增益为1，ωn即为通频带中心频率，而当a＞1或a＜1，即信号频率偏离中心频带时，|H(jω)|²小于1，信号发生衰减，且偏离中心频带越远，衰减幅度越大。根据幅频函数可知，当ξ₂的值越小，带通滤波器的尖峰越窄。其带通滤波器幅频响应如图9所示。

如图9所示，所构建二阶模型为带通滤波器，假设带通滤波器的截止频率分别为ω₁与ω₂，且有|H(jω₁)|²＝|H(jω₂)|²，那么，取|H(jω₁)|²＝|H(jω₂)|²＝χ²，则χ²为H(s)在ω₁处的模方值，将χ²代入式(2)可知：

其中，0＜χ＜1，其具体取值可根据用户需要或视滤波效果自行设定，对于自适应滤波器而言，由χ值可由用户预先设定好，在使用时不作改变。

该二阶模型是在S域中进行构造，因此作为数字滤波器必须对其进行离散化。本系统采用零阶保持法进行离散化，零阶保持法具有结构简单，易于实现的特点。通过仿真发现，使用零阶保持法离散后的带通滤波器对信号进行带通滤波能够有效保护信号原有特征。

采用零阶保持法对二阶模型进行离散化，离散化后的Z域传递函数模型如式(5)所示：

其中：

β＝ξ₁-ξ₂ (7)

由式(5)可知：所构建滤波器为IIR结构，滤波器的分子分母的参数分别为2个和3个，其中分子的2个参数且参数值相等，分母3个参数且仅有一个未知量，因此，所设计滤波器每次只需根据信号频率的不同调整两个参数即可，操作简单，使用方便。

根据图4调理电路，设置反馈电阻Cf1的值为C_F，反馈电阻的大小为G_F；假设驱动信号为V_D、调理输出信号为V_O，传感器电容为C₁₂，于是有：

其中，A为调理输出信号与驱动输入信号之间的复增益，

为输出信号与输入信号之间的相位差。

ψ＝arctan(ωC_F/G_F) (11)

对驱动信号与调理输出信号进行频谱分析获得两路信号的幅值与初始相位，求取两路信号的相位差

以及增益A。根据调理电阻自身参数获取|G|及ψ，信号频率采用高精度DDS输出理论频率。所有信号特征均获取后，根据式(9)即可计算出传感器容值。

实施例2：

本发明实施例提供了一种低功耗平面电容传感器测量电路，该电路包括：平面电容传感器、单片机、驱动电路、调理电路、滤波电路、第一A/D电路和第二A/D电路。驱动电路的输入端与单片机连接；驱动电路输出端分别与平面电容传感器的输入端、滤波电路的输入端连接，调理电路的输入端与平面电容传感器的输出端连接，输出端与滤波电路的输入端连接；第一滤波电路的输出端分别与第一A/D电路的输入端、第二A/D电路的输入端连接；第一A/D电路的输出端、第二A/D电路的输出端与单片机连接。

需要说明的是，在本发明实施例中，输入端和输出端是由测量过程中电信号的流向决定，从输入端流向输出端。

可理解的是，本发明实施例提供的低功耗平面电容传感器测量电路与上述低功耗平面电容传感器测量系统相对应，其有关内容的解释、举例、附图、电路连接、有益效果等部分可以参考低功耗平面电容传感器测量系统中的相应内容，此处不再赘述。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、本发明实施例以低功耗单片机为控制核心，与其它外围低功耗器件构成测量系统，能有效降低测量系统的功耗。

2、本发明实施例采用单极性信号传递方式，降低电源设计的复杂度，增加电源的转换效率。

3、本发明实施例根据信号频率来校正单片机主频，包括根据信号频率调整主频大小，降低系统功耗；对单片机主频进行校正，保证采样率精度，提高后期信号处理的精度。

4、本发明实施例采用两片单通道低功耗AD来模拟同步采样，在保证两路信号同步采样的前提条件下最大限度降低系统功耗。

5、本发明实施例采用构建的二阶自适应带通滤波器对驱动信号及调理输出信号进行信号处理，提高信噪比，保证频谱分析的精度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。