2 系统硬件设计
　　2．1 MS3110简介及寄存器设置
　　MS3110是Irvine Sensor公司生产的具有极低噪声的通用电容检测芯片。它采用CMOS工艺，工作电压为+5 V，测量灵敏度为，集成的补偿电容等参数均可以通过寄存器控制。其基本测量原理为：对被测电容与参考电容同时以相反时序充放电，通过电流积分、低通滤波、放大等将被测电容与参考电容差值转换为电压输出。MS3110内含一个60位的寄存器和100位的EEPROM。可通过单片机MSP430F149的I／0口对其EEFROM编程，或使MS3110工作在测试状态直接对寄存器进行编程。通过这些设置可对MS3110内部各个模块的参数进行精确的调节。
　　MS3110原理框图如图2所示。MS3110主要由电容补偿电路、电荷积分电路、低通滤波器以及运算放大器组成。

　　其中，CSlIN、CS2IN为被检测电容，CSl、CS2为MS3110内部的可调电容。通过对内部寄存器进行设置，CS1可在O～1．197 pF范围内调节，CS2可在0～9．709pF范围内调节。CF为电荷积分器的积分电容，可在O～19．437 pF范围内调节。以上3个可调节电容的调节步进均为19 fF。低通滤波器的带宽可在O．5～8 kHz范围内调节，可调增益GAIN可选择2或4。

　另外，参考电压VREF、空载输出电压Vout等也可以通过寄存器进行精确调节。其空载输出电压的计算公式如下：

Vout=GAIN×V2P25×1．14×(CS2T-CS1T)／CF+VREF (1)

　　式中：CSlT=CS1IN+CSl，CS2T=CS2IN+CS2；本系统中可调整的内部增益GAIN取2；V2P25为芯片参考电压输出，默认值为2．25 V；参考电压VREF可选O．5 V与2．5 V两个值，本系统中选取O．5 V。由于烧写EEPROM需要额外的16 V电压，本系统中将TEST引脚拉低使芯片处于测试状态，通过I／O即可直接更改其寄存器。由于掉电后寄存器数据将丢失，所以每次上电后都需要对所有的寄存器进行初始化。需要特别指出的是，MS3110数据手册中给出的写寄存器时序图中，将数据输入时钟SCLK周期标为固定值2μs。在实验中我们发现，周期大于2μs时均可成功设置。

　　2．2 MSP430F149简介及通信接口设计

　　系统使用MSP430F149集成的12位A／D转换器进行A／D转换。MSP430F149在1 MHz的时钟频率下运行时，芯片的电流在200～400μA左右；在等待方式下，耗电仅为O．7μA；在节电方式下，电流最低可达0．1 μA。集成的12位A／D转换器具有较高的转换速率，最高可达200 kbps，能够满足大多数数据采集应用，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

　　MSP430F149集成的A／D转换器可采用内部2．5 V参考电压或外部参考电压，但其内部参考电压准确性较差，在本系统中将MS3110的2．25 V参考电压输出作为A／D转换器的参考电压。低功耗单片机与集成A／D转换器的采用保证了系统拥有较低的功耗。

　　与上位机的通信接口采用MSP430F149集成的串行接口，通过MAX3232芯片转换为三线RS232接口与计算机串口直接相连。

　　3．1 单片机软件设计
　　采用IAR Assembler for MSP430集成开发环境，使用C语言编写了单片机部分的程序，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。单片机软件流程如图3所示。

　　单片机初始化包括单片机I／O初始化、串行口参数初始化、A／D转换器初始化，以及与上位机通信接收系统参数等。MS31lO初始化是通过单片机I／O对MS3110内部寄存器进行初始化，包括参考电容值、可调增益、初始电压等参数。采样开始后，单片机按照设定采样率进行采样；采样结束后，将数据经转换后传送给上位机进行处理、显示与存储。

　　3．2 上位机软件设计
　　采用VC++6．0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。上位机软件界面如图4所示。

　　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，平均误差仅为0．879 fF，最大绝对误差小于1．6 fF。由于MSP430F149集成的A／D转换器为12位，当CF取9．728 pF时，系统对电容的分辨率只有1．042fF。可见，A／D转换器的分辨率是制约检测精度的重要因素。在对系统进行改进时，可考虑采用更高位数的A／D转换器。

　　结语

　　本文基于电容检测芯片MS3110设计了一款电容式传感器检测系统，给出了设计要点和需要注意的问题。该系统具有较高的测试精度，可用于电容式传感器检测与研发。