基于Pcap01的電容式液位傳感器系統(tǒng)設計

摘要 為精確測量汽車油箱油量，利用電容量隨極板間介質(zhì)變化的原理，設計了基于電容轉數(shù)字芯片Pcap01的電容式液位傳感器測量系統(tǒng)。采用柱形電容傳感器等措施，減小了寄生和雜散電容，并通過Pcap01內(nèi)部寄存器的設置，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)校準。該系統(tǒng)在自行設計的實驗平臺上進行了多次實驗，結果表明，系統(tǒng)具有良好的精度和線性度，并最終提出了電容式液位測量方案。

隨著汽車工業(yè)正向著節(jié)能、高速、經(jīng)濟的方向發(fā)展，使得現(xiàn)代汽車均采用數(shù)字化系統(tǒng)設計。由于汽車油箱大多采用異型結構，所以為了使得油量測量的精度和穩(wěn)定性得到提高，各大汽車廠商都在致力于解決這一問題。

液位測量常用的方法有滑動電位器法，電感線圈法，數(shù)字電容法等?；瑒与娢黄鞣ㄊ悄壳爸械蜋n汽車大多采用的檢測方法，但當油垢覆蓋電位器后，其阻值會發(fā)生變化，造成誤差過大，使此類油箱傳感器成為易損件。電感線圈法為現(xiàn)在高檔汽車多采用的方法，但其結構復雜、成本高、無法廣泛使用。數(shù)字電容法是相對易實現(xiàn)、設計靈活、成本低、精度高的測量方法，但需解決線性度和補償校正等問題。

汽油或柴油是具有電氣絕緣特性的液體混合物，黏度低、流動性好、蒸發(fā)性強，測量對象的這些物理特性為使用電容式液位傳感器創(chuàng)造了條件;另一方面，高速發(fā)展的微電子技術能夠以相對低廉的價格去實現(xiàn)小電容的精確測量，這種測量方案具有廣闊的市場前景。

1 硬件設計

1.1 電容式測量油量原理

電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。電容式液位傳感器是以液位變化時，引起介電常數(shù)變化為原理的。當被測液體的液面在電容式圓柱形套筒電極間變化時，引起電極間不同介電常數(shù)介質(zhì)的高度發(fā)生變化，從而導致電容變化。本電容傳感器采用圓柱形套筒結構，如圖1所示。

電容式傳感器外殼和內(nèi)圓柱采用鈦合金材料，構成兩個電極板，設外殼半徑為R1;內(nèi)圓柱半徑為R2;汽油介電常數(shù)為ε0;真空中的介電常數(shù)為ε1;圓柱套筒的高度為H;液面的高度為L;忽略邊緣效應，當L=0時，傳感器處于零點，電容值最小，傳感器電容量

可見當傳感器中各參數(shù)都確定時，傳感器電容值CH與液面高度L成線性關系。

1.2 Peap01簡介

Pcap01是一款帶有單片機處理單元的專用電容測量的電容數(shù)字轉換單芯片方案，其內(nèi)部結構原理如圖2所示。其前端轉換單元是基于Acam公司的PICOCAP測量原理。這種轉換測量原理提供了對于轉換時間范圍最小可達2μs的高精度時間轉換。芯片內(nèi)部帶有一個48位DSP單元，這個處理單元將處理電容測量的信息，獲得測量數(shù)據(jù)，并將結果送到芯片輸出端口。所得數(shù)據(jù)將存放在內(nèi)部RAM當中，而內(nèi)部有OTP或者SRAM兩種方法編寫程序。

Pcap01有漂移和接地兩種連接電容傳感器的方式，由于本設計管腳資源充足，為提高抗干擾性，采用漂移連接法，電容傳感器通過屏蔽線直接連到Pcap01，測得的電容值轉換成數(shù)字值，精度最高可達21位有效位，可通過讀取讀寄存器中待測電容與參考電容的比率從而計算出待測電容值。實驗設計量程為16～45 pF，而Pcap01可測量范圍覆蓋達到幾F到幾百nF，所以滿足本設計對于測量范圍的要求。

電容傳感器數(shù)據(jù)可在芯片內(nèi)部進行校準，然后通過SPI或者I2C數(shù)據(jù)串行接口進行傳送。Pcap01帶有標準固件，提供了20個配置和參數(shù)寄存器以及12個讀寄存器。

1.3 數(shù)字電容式液位傳感器應用系統(tǒng)

本設計通過Pcap01帶有的標準固件03.01.xx配置電容測量寄存器并進行讀取，選擇STM32F103ZET6通過I2C串行總線接收來自Pcap01的數(shù)字電容測量值，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD屏顯示，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

這里采用單一傳感器漂移模式，根據(jù)電容傳感器測量數(shù)據(jù)選擇20 pF陶瓷電容為參考電容連接在PC0和PC1兩端，待測電容連接在PC2和PC3兩端。設置配置寄存器為漂移單一電容模式，內(nèi)部放電電阻為90 kΩ，選擇電容測量的觸發(fā)源為持續(xù)觸發(fā)模式。

通過讀寄存器Res1讀到的是C/C參舞考比率，無符號固定點數(shù)帶有3位整數(shù)和21位小數(shù)，數(shù)值為0～7.999 9，精度為0.477×10-6。雖然Pcap01有著內(nèi)部接地補償和外部漂移寄生電容補償，但為了保證系統(tǒng)可靠運行和高精度測量，還要解決好外圍電路的抗干擾和屏蔽問題，其中去耦電容的選擇以及電源的穩(wěn)定性都是系統(tǒng)硬件設計的重要環(huán)節(jié)。

2 軟件結構設計

系統(tǒng)的軟件設計包括Pcap01部分和STM32F103ZET6部分。Pcap01部分主要包括寄存器的配置，以及電容數(shù)據(jù)采集模塊;STM32F103ZET6部分主要包括與Pcap01的串行通訊和與LCD屏通訊顯示數(shù)據(jù)兩部分。Pcap01部分軟件采用匯編語言編寫，STM32F103ZET6部分軟件則使用C語言編寫。

2.1 Pcap01部分軟件設計

在軟件開發(fā)評估過程中，是將固件寫到SRAM中的。Pcap01的SRAM地址空間為4 k x 8 bit。開始上電后發(fā)送0x88，這個命令將復位所有狀態(tài)。發(fā)送8位數(shù)據(jù)至000到FFF的任意SRAM地址并從此地址再讀回數(shù)據(jù)，進行通訊測試后再次發(fā)送操作碼0x88狀態(tài)全復位。固件Pcap01_standard.hex由ACAM公司官方提供，數(shù)據(jù)發(fā)送至SRAM后，就可按照設計要求進行配置寄存器的設置了。設計選擇的是單一漂移電容模式，一個傳感器，一個參考電容，完全補償，內(nèi)部放電電阻為90 kΩ，持續(xù)觸發(fā)，電容測量的循環(huán)時間為20μs。電容測量的循環(huán)時間是一個重要的CDC參數(shù)，需要注意電容放電時間的大小，設置的循環(huán)時間一定要足夠長，默認情況下設置的循環(huán)時間>2倍的放電時間，所以選擇20μs可以滿足設計要求。配置寄存器設置完后發(fā)送部分復位操作碼0x8a和開始電容測量指令0x8c，等待100 ms后就可從Res1寄存器中讀取C/C參考的比率。

2.2 STM32F103ZET6部分軟件設計

STM32F103ZET6是一款基于ARM Cortex—M3內(nèi)核的32位處理器，內(nèi)部帶有I2C硬件接口。如今I2C總線協(xié)議已成為芯片間低速串行通信的事實標準，應用范圍將越來越廣。I2C總線在傳輸數(shù)據(jù)過程中共有3種類型信號，分別是開始信號、結束信號和應答信號。在讀時序中，STM32F103ZET6在發(fā)送開始信號后的第1個Byte就要發(fā)送一個單獨的7位設備地址，Pcap01作為從機的設備地址為1010000。STM32F103ZET6接收到數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)轉化后濾波，再通過8位數(shù)據(jù)總線的并行接口發(fā)送至LCD液晶屏顯示。軟件流程圖如4所示。

3 實驗驗證與結果分析

為驗證系統(tǒng)的測量精度和性能，對樣機進行了實驗測試，采用30 cm高度的電容式傳感器和93號汽油在自行設計的實驗平臺上進行多次實驗。

3.1 精度分析

傳感器測得的電容值與參考電容的比率C/C參考存放于Pcap01的Res1寄存器中，對10 cm和20 cm高度的汽油進行多次測量，結果如表1所示。

Pcap01的測量比率范圍為0～7.999 9，從測量結果可以看到，24位的測量結果可以穩(wěn)定在高12位，去除整數(shù)位，小數(shù)位可以穩(wěn)定在9位，則測量精度為20/(29-1)=0.04 pF。

3.2 線性度分析

由式(1)可知，電容C與液面高度x成正比關系，圖6為測量范圍0～35cm，進給量為0.5 cm時的傳感器電容值與高度值的變化曲線，從圖中可以看出，系統(tǒng)具有較好的線性度。

4 結束語

本文利用電容轉數(shù)字芯片Pcap01，結合STM32對于電容數(shù)據(jù)的處理，充分考慮了信號的屏蔽與抗干擾等問題，通過在自行設計的實驗平臺上進行的測量精度與線性度分析實驗顯示系統(tǒng)具有較高的可靠性。利用Pcap01設計的液位傳感器系統(tǒng)具有結構簡單、精度高、測量范圍廣的特點，適合用于油箱、油庫等的液位測量中。