PCAP01超高精电容传感芯片+STM32+LabView可视化
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一、PCAP01介绍
PCAP01Ax_0301是ACAM公司推出的一款单芯片电容测量方案集成芯片。该芯片集成了电容测量部分以及片内哈弗架构DSP，可以实现至高500kHZ的超高速电容测量以及数据处理。在温湿度传感、动力学传感器、MEMS、液位传感器、触摸检测等领域具有广阔的应用前景。
本文章将抽丝剥茧的从70多页的英文文档中梳理出该芯片的配置过程。
1.1、PCAP01引脚定义
| 引脚 | 描述 |
|---|---|
| BUFFCAP | Connect microfarad bypass capacitance and nanofarad bypass capacitance to GND. Bridge all BUFFCAP pins. Bypassing is mandatory! （简言之：该引脚需要与所有BUFFCUP引脚相连，并且必须对地连接uF级别和nF级别的电容进行去耦，一般选择4.7uF和100nF） |
| GND | Ground |
| IIC_EN | Put this to LOW or GND for use of SPI bus. Put it to HIGH or VDD otherwise.(简言之：拉低该引脚启用SPI) |
| INTN | Optional. Interrupt line, low active |
| MISO_PG1 | Serial interface data line, Master In - Slave Out (SPI only, otherwise available as general-purpose port)（简言之：SPI通讯线） |
| MOSI_SDA | Serial interface data line, Master Out - Slave In（简言之：SPI通讯线） |
| OXIN&OXOUT | May be left open. Very exceptionally used for connecting a 4 to 20 MHz ceramics resonator or quartz.(简言之：外部晶振接口，一般不接) |
| PC0-PC7 | “CDC” or capacitive measurement ports. Connect reference and sensors here, beginning with PCØ for the reference.(简言之：电容检测引脚) |
| PCAUX | May be used for external discharge resistor.(外接泄压电阻) |
| PG2-PG5 | General purpose I/O ports. PG4 and PG5 are output only, others are configurable input or output. |
| PT0-PT1 | “RDC” or temperature measurement ports. Connect one side of the external resistive sensors here. |
| PT2REF | When there is an external resistive (temperature measurement) reference, connect it here, otherwise this is the place for a third resistive sensor.(外接参考电阻) |
| PTOUT | For temperature measurement, connect the other side of the resistive sensors and a 33 nF ceramics capacitor here.(简言之：温度测量时，需要将该引脚通过33nF的电容进行接地！这是必须，电容值必须33nF) |
| SCK_SCL | Serial interface clock line(SPI的时钟线) |
| SSN_PG0 | SPI interface chip select line, low active. Alternatively general purpose I/O port.(简言之：SPI的片选信号线，拉低表示选中该芯片) |
| VDD | VDD here, plus bypass capacitance to GND. Bypassing is mandatory! |
| VPP_OTP | Set to 6.5 V during OTP programming. Set back to GND rapidly after the end of the programming process. Keep pin grounded for normal device operation. Apply a 470 kOhm pull-down resistor to this pin.（简言之：在OTP编程的时候接上6.5V，变成结束迅速拉低，正常使用时应当拉低） |
需要注意：当芯片底部中心具有焊盘时，需要将该焊盘接地
1.2、电容测量
该传感器通过给电容进行充电后计算其放电时间换算出电容的容值。输出的结果为： t N t r e f = C N C r e f \frac{t_N}{t_{ref}}=\frac{C_N}{C_{ref}} treftN=CrefCN.
PCAP01具有三种测量电容的方式；分别为浮动测量方式、接地测量方式以及差分测量方式。这些测量方式中，都规定C0为参考电容，因此该芯片最多支持3路浮动测量或者7路接地测量。其连接方式如下图所示：
根据PCAP01的测量原理可知，要获得精确的测量结果，就要求参考电容的精度足够高。并且当使用长线进行电容测量时，需要使用屏蔽线，并将屏蔽线缆接地。同时、PCAP01具有内部和外部补偿测量模式、启用后可以消除内部和外部电路电阻的影响。
1.3、温度测量
PCAP01支持内部和外部温度测量两种模式，在一般的应用场景下，内部的温度传感器已经符合要求。如图3-14所示为外部测量模式、该模式下需要外接一个热敏电阻PT1000以及一个超低温漂的参考电阻。如果使用内部模式、PCAP内部具有一个2800ppm/K的热敏电阻以及一个温漂接近0ppm/K的参考电阻，直接悬空PT0以及PT2REF即可。
1.4、PCAP典型测试电路
本电路为浮动模式电容测量以及内部温度测量、使用SPI进行通讯。
二、PCAP01的STM32驱动
PCAP01首先需要写入固件，芯片才能正常运行。官方提供了两个版本的固件给用户选择，有能力的也可以自己编写。固件地址：https://www.sciosense.com/pcap01-capacitance-to-digital-conversion-digital-signal-processor/
固件写入完成后，就可以开始寄存器的相关配置，PCAP01的寄存器配置表如下所示：
读寄存器表：
各个寄存器的每一位代表的配置详见官方手册。
2.1、SPI协议配置
如图所示为PCAP01的SPI模式要求，在进行STM32的SPI初始化的时候应当遵照表中要求对单片机的SPI外设进行相应的配置。
PCAP01的SPI为标准的四线全双工SPI通讯，SSN引脚输出一个短暂的高电平使能SPI传输，随后数据随着时钟线的嘀嗒移入移出。
在写时序中，只需要将待写入的数据依次移出即可，但这里需要遵循PCAP01的写入规则：
上述的意思是，在进行寄存器写入操作的时候，单帧数据的最高两位为11，紧接着跟上寄存器的地址，例如寄存器0（Register0）的地址为0，则输出数据前八位为11000000，即0xC0。其后再接上24位寄存器的配置值。
在读时序中，需要先发送需要读取的寄存器地址，然后等待一小段间隔再发送移位信号将PCAP01相关寄存器中的数据移出。需要注意的是，发送的起始两位为01，综上所述可知，如果要读取Status寄存器的数据，应当发送的数据为：0100 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000，转换为16进制为：0x48000000。
2.2、PCAP01浮空电容测量内部温度测量操作流程
- 首先测试SPI通讯是否正常：
- 写入PCAP01的固件
- 配置各个寄存器，下面给出本例中的寄存器配置值
寄存器0：0xc04200FF （关闭OTP模式、开启程序读保护）
寄存器1：0xC1201022 (设置内部晶振频率50KHz)
寄存器2：0xc2FF460B (开启所有电容测量通道、浮动模式、泄压电阻30kOhm,开启内外补偿)
寄存器3：0xc3030010 (CDC的循环基准20us，触发周期20*16，16次平均)
寄存器4：0xc4080111 (时钟触发电容测量，CDC cycle time 40us，温度测量280us，电容触发温度测量)
寄存器5：0xc500000A (温度测量不平均，十次电容测量触发一次温度测量)
寄存器6：0xc6004340
寄存器7：0xc71F0000 (固定)
寄存器8：0xc8800030 (设置程序空间，以及DSP的功耗)
寄存器9：0xc9FF000F (设置脉冲输出精度)
寄存器10：0xca180047 (设置DSP电压)
寄存器13：0xcd000007 (设置脉冲的输出数据)
寄存器14：0xce002ff0 (设置输出数据的斜率)
寄存器15：0xcf000000 (设置输出数据的偏置)
寄存器19：0xD3200000 (设置内部线性补偿，默认为1.0000，十六进制为200000)
寄存器20：0xD4000001 (芯片开始工作)
- 重置所有测量：SPI发送0x8A；
- 开始测量：SPI发送0x8C；
- 获取对应通道的测量值：例如：（c1/c0）SPI发送：0x41,随后开始读取
- 将获取的值除以0x1FFFFF，得到比例值的小数。
- 将小数值乘以参考电容值，得到被测电容值。
- 获取温度值（0x4E）（Rt/Rref）;
- 根据公式：T=20+（（Rt/Rref/0x1FFFFF）-0.824） /0.0023072;计算出温度
三、制定串口通讯协议
下位机发送协议，定长
| Byte0 | Byte1 | Byte2-5 | Byte6-9 | Byte10-13 | Byte14-17 | Byte19 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 帧头 | 数据长度 | 电容1数据 | 电容2数据 | 电容3数据 | 温度数据 | CRC校验 |
| 0x55 | 0x13 |
下位机接收，不定长
| Byte0 | Byte1 | Byte2 | Byte XXX | Byte Final |
|---|---|---|---|---|
| 帧头 | 数据长度 | 指令类型 | 指令内容 | CRC校验 |
| 0xAA |
四、LabView上位机
LabView使用的是G语言，其编程方式和C有很大的区别，编程效率个人感觉远低于C语言，但是其直观化的编程方式受到了许多科研人员的喜爱。上述为LabView的串口配置过程，通过VISA配置串口模块进行参数配置，随后进入顺序片段等待配置完成。随后就可以通过串口的VISA写入和VISA读取进行上位机与下位机的数据交互了。
获取到数据之后对数据协议进行解析，将解析出的数据进行校验后通过波形图进行显示。
点击采集和保存，通过上述的程序将传感器一段时间内的数据保存为CSV文件。
由于LabView是框图编程，程序的整体结构如下，
最终实现效果如图：
需要整个工程完整代码请私聊。
