基于i.MX RT1052处理器的微小电容测量系统研究与实现

2021-02-14侯志伟杜青青包理群

兰州石化职业技术学院学报 2021年4期

侯志伟, 杜青青, 包理群

(1.兰州石化职业技术学院电子电气工程学院,甘肃兰州 730060；2.兰州工业学院电子信息工程学院,甘肃兰州 730050)

随着新兴技术领域的迅速发展，电容式传感器检测技术具有结构简单、分辨率高、动态响应特性好等优点，广泛应用于智慧农业、环境保护、医疗设备等诸多相关应用领域位移、压力、角度、振动、速度等常见物理量的高精度测量[1]，例如藜麦水分快速检测[2]、机油品质[3]、密闭管道人体掉入探测[4]、肥箱料位[5]等。微小电容的检测方法主要有直流电源开关充放电式、运算放大器式、交流激励式、调频式[6-8]等，将常见物理量的变化量转化为微小电容的变化量，采用信号调理电路转化为电流、电压和频率的变化量，其中电流和电压信号可采用ADC转换来实现检测，频率信号可在时域中采用直接测频法、间接测频法及等精度测频法，也可在频域中采用FFT蝶形运算实现频率测量。

对于电容式传感器间接测量位移、压力、速度等物理量的实际问题，本文设计了一种基于恩智浦i.MX RT1052处理器的微小电容测量系统，采用方波振荡电路将电容的变化量转换为频率的变化量，被测电容调理电路输出的信号经过ADC采样，利用快速傅里叶蝶形运算，计算最大幅度值对应的主要频率成分值，达到了微小电容值检测的实际应用需求。

1 系统总体设计

微小电容测量系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

该微小电容测量系统主要由恩智浦i.MX RT1052处理器组成最小系统、被测电容信号调理电路、片内ADC外部GPIO(General Purpose I/O Ports, 通用输入/输出端口)为接口、UART串口、TFT-LCD显示、机械按键、SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机存储器)、数据存储器E2PROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,电可擦可编程只读存储器)、JTAG接口等构成。其中，被测电容通过信号调理电路将电容的变化量转换为频率的变化量，其输出信号连接至外部GPIO接口，采用定时器PIT(Periodic Interrupt Timer, 周期中断计数/定时器)产生周期性触发信号来实现设定采样频率，利用XBAR(one or more inter-peripheral crossbar switch, 一个或多个外设交错开关)连接到ADC_ETC(ADC External Trigger Control, ADC外部触发控制)触发请求输入，采样被测电容通过信号调理电路输出电压，利用快速傅里叶变换，计算最大幅度值对应的主要频率成分值，从而得出微小电容值。机械按键用来标定标称电容，将标定值存放至数据存储器E2PROM。UART接口用来打印程序运行过程信息，TFT-LCD显示屏用来显示电容值，JTAG接口用来调试、下载软件程序。

2 系统硬件设计

被测电容调理电路由方波振荡电路、同相滞回比较电路和分压电路构成，如图2所示。方波振荡电路由反向输入的滞回比较器和RC充放电回路组成，滞回比较器引入正反馈，RC充放电回路既作为延迟环节，又作为负反馈网络，以实现输出状态的翻转。同相滞回比较电路采用正反馈截取方波振荡电路的正半周，采用分压电路输出0～3.3V的方波信号。其中DZ1、DZ2为双向稳压管，稳压值为5～6V。

图2 方波振荡电路

当UO输出为UZ时，UO通过R1、R2对Cin(为Cx和C1并联)充电，直到C上的电压UC上升到门限电压UT，输出UO反转为-UZ，电容Cin通过R1、R2放电，当Cin上的电压UC下降到门限电压-UT，输出UO再次反转为UZ，此过程周而复始输出方波。

根据电容充放电过程，振荡频率计算如下：

式(1)中，Cin=C1+Cx。

为校准寄生电容和杂散电容的影响误差，测量校准点0pF和47pF时的频率值，记录对应的结果为f0和f47，则实际电容值可由下面的公式计算得到：

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

本文微小电容测量系统软件部分主要包括系统初始化模块、标称电容标定模块、ADC采样模块、SDRAM数据缓存模块、按键模块、TFT-LCD显示模块、E2PROM读写模块，系统主程序流程图如图3所示。

图3 系统主程序流程图

电容校准模块采用跳线短路帽接入标称电容，按下按键将测量值存储至E2PROM，TFT-LCD显示模块采用STemWin图形界面库。

3.2 ADC采样程序设计

ADC采样程序主要为ADC寄存器初始化，设置转换通道号及启动定时器PIT转换。其中ADC采样初始化主要为ADC模块初始化、XBARA交错开关配置、定时器PIT配置、ADC外部触发控制的配置。i.MX RT1052处理器具有ADC的硬件求平均值、自动硬件校准功能，主要配置如下：

/* Initialize the ADC module. */

ADC_GetDefaultConfig(&k_adcConfig);

k_adcConfig.resolution = kADC_Resolution12Bit;

ADC_Init(IMXRT_ADC_BASE, &k_adcConfig);

ADC_EnableHardwareTrigger(IMXRT_ADC_BASE, true);

adcChannelConfigStruct.enableInterruptOnConversionCompleted = false;

ADC_SetChannelConfig(IMXRT_ADC_BASE, IMXRT_ADC_CHANNEL_GROUP, &adcChannelConfigStruct);

ADC_SetHardwareAverageConfig(IMXRT_ADC_BASE, kADC_HardwareAverageCount32);

/* Do auto hardware calibration. */

ADC_DoAutoCalibration(IMXRT_ADC_BASE) ;

/* Init xbara module. */

XBARA_Init(IMXRT_XBARA_BASE);

/* Configure the XBARA signal connections. */

XBARA_SetSignalsConnection(IMXRT_XBARA_BASE, IMXRT_XBARA_INPUT_PITCH0, IMXRT_XBARA_OUTPUT_ADC_ETC);

/* Init pit module */

PIT_GetDefaultConfig(&pitConfig);

PIT_Init(PIT, &pitConfig);

PIT_SetTimerPeriod(PIT, kPIT_Chnl_0, USEC_TO_COUNT(10U, PIT_SOURCE_CLOCK));

NVIC_SetPriority(ADC_ETC_IRQ0_IRQn, 2);

EnableIRQ(ADC_ETC_IRQ0_IRQn);

为了便于灵活转换通道号，采用DC1HC0_ADCH设置需要转换的通道，启动定时器PIT开始转换，设置如下：

// 数据缓存清0

memset((void *)p->ADC_BUF, 0, p->ADC_SIZE);

// 设置ADC转换通道

DC1HC0_ADCH = IMXRT_ADC1_IN12_CHNL;

// 启动定时器PIT

PIT_StartTimer(PIT, kPIT_Chnl_0);

3.3 FFT算法程序设计

式(4)中，X(k)有N个点，以N为周期；X1(k)、X2(k)有N/2个点，以N/2为周期。

将式(4)写为前半部分和后半部分，则为如下形式：

按时间抽取DFT，以奇偶序列逐级分解，得出N点FFT运算蝶形流图，如图4所示。

图4 N=8点FFT运算蝶形流图

图4中，蝶形运算符左边两路为输入，右边两路为输出，中间以一个小圆点表示加、减运算，其中右上路为相加后输出、左下路为相减后输出，1个蝶形运算需1次复乘，2次复加。

从FFT运算蝶形流图可找出码位顺序、旋转因子、蝶形间距的变化规律，设序列x(n)经时域抽选(倒序)后，存入数组X中，若蝶形运算的两个输入数据相距B(B=2L-1)个点，则蝶形运算可表示成如下形式：

式(6)中,p=J·2M-L，J=0，1，…，2L-1-1，L=1，2，…，M，L表示第L级运算，为同一旋转因子p=J·2M-L的蝶形间距，XL(J)表示第L级运算后数组元素X(J)的值。

DIT-FFT运算流程如图5所示。

图5 FFT算法流程图

图5中，输入自然顺序序列x(n)，以倒位序规律进行码位倒序处理输出自然序，确定运算的级数L=1，2，…，M(N=2M)，蝶形两个输入数据的间距为B=2L-1，第L级旋转因子指数为p=J·2M-L，其中J=0，1，…，B-1。同一旋转因子，同一级2M-L个蝶形运算中k的取值范围从J到N-1，步长值为2L。

4 系统测试及结果分析

采用反向输入的滞回比较器和RC回路组成的方波振荡电路，将电容的变化量转换为频率的变化量，被测电容调理电路输出的信号经过恩智浦i.MX RT1052处理器片内ADC采样16*1024个点，将ADC转换数据利用快速傅里叶蝶形运算，计算最大幅度值对应的主要频率成分值，从而得出微小电容值，其实验测量结果如表1所示。