摘 要： MS3110具有良好的微電容測量性能，可以滿足電容法在氣/固兩相流測量中的應用。提供一種基于通用電容讀取芯片MS3110的微小電容讀取電路，并對MS3110的可編程參數設置做詳細介紹。電路設計中使用89S52單片機對MS3110芯片進行編程控制和數據讀取，最終實現對靜態電容和動態電容的測量，并通過串口傳輸至上位機實時顯示。
關鍵詞：電容傳感器；微小電容測量；MS3110；氣/固兩相流
在粉塵顆粒檢測的各種方法中，由于電容傳感技術進行兩相流離散相濃度檢測具有簡單、非侵入性、低成本、實時性佳等優點,成為目前研究的熱點[1]。但氣/固兩相流中粉塵體積比非常小, 為極稀相(固相體積比約0.05%)[2]。電容式傳感器輸出的電容信號往往很小(1 fF～10 pF),且傳感器及其連接導線存在雜散電容和寄生電容的影響,這對電容信號的測量電路提出了非常高的要求,如此微小的電容信號的測量成為電容式傳感器技術發展的瓶頸。目前,國內外在測量10 pF以下的電容方面都存在很大的困難,分離元件電容測量電路的方式早已淘汰,電容檢測電路的研究主要集中在高度集成化方向[3]。本文將介紹一種通用電容讀取芯片MS3110，它使用方便，功能強大，適用于具有高分辨電容讀取接口的MEMS傳感器[4]。
1 MS3110芯片介紹
MS3110芯片是美國Irvine傳感器公司生產的一款通用電容讀取芯片，是專為MEMS傳感器的電容讀取接口而設計的、具有超低噪聲和4.0 aF/rtHz的分辨率、適合高性能要求的電容傳感器[5]，具體介紹如下。
1.1 引腳定義說明
MS3110引腳定義如圖1所示，MS3110的電源使用+5 V電壓驅動，由+V(15Pin)施加給芯片，允許供電電壓在-0.25 V~+0.25 V之間波動。-V(13Pin)為芯片的接地引腳。V2P25（2Pin）為芯片的參考電壓輸入端，需要一個平穩的2.25 V的直流電壓源提供，否則將影響到測量精度。HV16(10Pin)為芯片內置EEPROM的上拉電壓源，在不使用EEPROM時可以不接。
MS3110芯片支持雙差分變量輸入和單變量輸入，當被測變量為差分電容時電容的兩極分別接芯片的CS2IN(4Pin)和CS1IN(6Pin)，差分電容的公共端接CSCOM(5Pin)；做單變量輸入時,可將被測電容接到CS2IN和CSCOM引腳之間。
芯片的輸出引腳是VO引腳(14Pin),輸出為模擬量，輸出電壓與被測電容值的關系如下：
VO=GAIN×V2P25×1.14×(CS2T-CS1T)/CF+VREF (1)
其中：VO輸出電壓；GAIN為增益系數,一般為2或者4 V/V；V2P25為參考電壓,一般為2.25 VDC;CS2T=CS2IN+CS2，CS1T=CS1IN+CS1(CS1IN,CS2IN為外部輸入電容，CS1，CS2為芯片內置的可編程平衡電容器）；CF為電荷積分電路的積分電容，CF的大小決定芯片測量范圍的大小；VREF可以被設置成0.5 VDC或2.25 VDC，一般在單變量輸入時為0.5 VDC，在差分變量輸入時為2.25 VDC。
MS3110芯片具有一個60 bit的內部寄存器與一個100 bit的EEPROM，所以一般情況下可以直接使用芯片的內部寄存器來設置芯片的參數，可以通過TESTSEL(3Pin)來選擇是否使用EEPROM。當TESTSEL拉低即可旁路掉片內的EEPROM；當TESTSEL拉高時，也可以通過WRT（11Pin）來選擇對EEPROM編程(WRT=1)還是對片內寄存器編程（WRT=0）。
SDATA（7Pin）與SCLK（8Pin）是芯片的通訊接口，SDATA是對芯片編程的串行數據輸入口，SCLK為此提供時鐘周期。CHPRST（1Pin）為芯片的復位引腳，3個NC端為芯片的保留端。
MS3110只有13個需要連接的引腳，使它在使用中只需要很簡單的周邊電路即可，而它的大多數設置是通過編程實現的，以適應不同的需求。下面介紹具體參數設置。
1.2 參數設置詳解
MS3110主要由電容補償電路、電荷積分電路、低通濾波器以及運算放大器組成。
如圖2所示，CS1和CS2為補償電容，它們的容值可以通過寄存器中CS1（8:0）和CS2（5:0）兩個數組來調節,其中CS1調節范圍為0~9.70 pF，CS2為0~1.197 pF,步進都為0.019 pF，CS1和CS2的真值表分別見表1和表2。本設計中被測變量選取為單變量的情況下，被測電容需要接在CSCOM與CS2IN之間，這時CS1值的選擇將影響到電容值的測量范圍。
電荷積分電路中的積分電容CF容值也可以通過寄存器中CF（9:0）來設置,CF參數真值表如表3，同樣該參數的選擇也將影響到芯片的測量范圍。
MS3110的低通濾波器模塊的通頻頻率通過CSELET（3:0）來設置，CSELET參數真值表如表4，濾波頻率可選0.5 kHz~8 kHz，此參數的選擇將決定芯片的工作頻率。
它的具體設置如下：芯片的運算放大器模塊有兩個參數需要設置，分別是放大系數與偏移電壓補償。放大系數由GAINSEL來設置，當GAINSEL=0時，放大增益為2；當GAINSEL=1時，放大增益為4。偏移電壓補償由SOFF參數來設置，該參數的選擇一般由被測變量來決定。當被測變量為單變量時，SOFF=1，這時補償電壓為0.5 VDC；當被測變量為差分變量時,SOFF=0,這時補償電壓為2.25 VDC。
另外,如圖2所示，MS3110的一些基本工作參數如：V2P25引腳的電壓修正由T（3:0）寄存位來設置，該引腳的2.25 VDC輸入電壓作為芯片工作的參考電壓，在所有應用當中必須保持在-10 mV~+10 mV的誤差范圍內，在一般的使用當中，T（3:0）只需設置為[1,0,0,0]，此時表示對V2P25引腳的輸入電壓無修正。
其他的幾個參數：工作電流修正、工作振蕩器修正以及輸出運算放大器的直流電壓偏移量修正分別設置R（2:0）、D（2:0）、OFF（4:0）這幾個參數，使MS3110芯片能夠滿足更多的工作環境。一般情況下，都設置為Nominal，即R（2:0）=[1,0,0],D(2:0)=[1,0,0],OFF(4:0)=[1,0,0,0,0]。
1.3 參數的寫入
參數按照設計需求設定完畢后，需要寫入芯片的寄存器中，數據由SDATA口以串行通訊的形式寫入，通訊時鐘周期要求為2 μs，需要寫入的數據為60 bit。MS3110芯片的內部寄存器數據分布以及串行數據的寫入順序要求見表5。
電源模塊必須要做好整流和穩壓設計, 特別是為V2P25提供2.25 V電壓的電源一定要保持波動范圍在-10 mV~+10 mV以內。上位機使用普通的微機即可，當單片機采集到數據以后，以串口通訊的方式將數據上傳給上位機得到實時顯示和保存。
2.2 軟件設計
軟件方面，單片機初始化需要使用單片機的定時器來產生一個周期2 ?滋s的時鐘信號用作與MS3110芯片通訊，完成對芯片的初始化，開始采樣后，單片機負責將采樣到的數據傳送給上位機，直到采樣結束，上位機將接收到的數據進行顯示和存儲。圖4為其程序設計流程圖。
MS3110芯片將電荷積分電路、濾波電路以及放大電路集成在一起，而其又不要求復雜的外部電路，大大降低了測量電路的噪聲。配合對內部的諸多參數寄存器的設置，也可以滿足許多場合的電容值讀取需要。本文對該芯片的引腳和內部寄存器設置進行了詳細介紹，該芯片在MEMS電容傳感器的設計中具有更廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 燕芳,李文濤.氣/液兩相流相關法測速系統的仿真研究[J].微計算機信息，2010(13):42-44.
[2] 胡紅利,周屈蘭,徐通模，等.電容式氣固兩相流濃度測量系統[J]. 儀器儀表學報，2007，28(11):1947-1952.
[3] 劉浪,馬鐵華,李新娥.基于TDC的微小電容測量電路設計[J]. 電子技術應用, 2010，36(1):71-74.
[4] Huang Shusen, Tao Hu, Zhang Xin. Development of double-cantilever infrared detectors: Fabrication,curvature control and demonstration of thermal detection[J]. Sensors and Actuators, 2008,145(1):231-240.
[5] 劉民杰，劉云峰，董景新，等.基于MS3110電容讀取芯片的MEMS加速度計[J].中國慣性技術學報，2010,18(2):236-239.