摘　要： MS3110具有良好的微电容测量性能，可以满足电容法在气/固两相流测量中的应用。提供一种基于通用电容读取芯片MS3110的微小电容读取电路，并对MS3110的可编程参数设置做详细介绍。电路设计中使用89S52单片机对MS3110芯片进行编程控制和数据读取，最终实现对静态电容和动态电容的测量，并通过串口传输至上位机实时显示。
关键词：电容传感器；微小电容测量；MS3110；气/固两相流

    在粉尘颗粒检测的各种方法中，由于电容传感技术进行两相流离散相浓度检测具有简单、非侵入性、低成本、实时性佳等优点,成为目前研究的热点[1]。但气/固两相流中粉尘体积比非常小, 为极稀相(固相体积比约0.05%)[2]。电容式传感器输出的电容信号往往很小(1 fF～10 pF),且传感器及其连接导线存在杂散电容和寄生电容的影响,这对电容信号的测量电路提出了非常高的要求,如此微小的电容信号的测量成为电容式传感器技术发展的瓶颈。目前,国内外在测量10 pF以下的电容方面都存在很大的困难,分离元件电容测量电路的方式早已淘汰,电容检测电路的研究主要集中在高度集成化方向[3]。本文将介绍一种通用电容读取芯片MS3110，它使用方便，功能强大，适用于具有高分辨电容读取接口的MEMS传感器[4]。
1 MS3110芯片介绍
   MS3110芯片是美国Irvine传感器公司生产的一款通用电容读取芯片，是专为MEMS传感器的电容读取接口而设计的、具有超低噪声和4.0 aF/rtHz的分辨率、适合高性能要求的电容传感器[5]，具体介绍如下。
1.1 引脚定义说明
    MS3110引脚定义如图1所示，MS3110的电源使用+5 V电压驱动，由+V(15Pin)施加给芯片，允许供电电压在-0.25 V~+0.25 V之间波动。-V(13Pin)为芯片的接地引脚。V2P25（2Pin）为芯片的参考电压输入端，需要一个平稳的2.25 V的直流电压源提供，否则将影响到测量精度。HV16(10Pin)为芯片内置EEPROM的上拉电压源，在不使用EEPROM时可以不接。

    MS3110芯片支持双差分变量输入和单变量输入，当被测变量为差分电容时电容的两极分别接芯片的CS2IN(4Pin)和CS1IN(6Pin)，差分电容的公共端接CSCOM(5Pin)；做单变量输入时,可将被测电容接到CS2IN和CSCOM引脚之间。
    芯片的输出引脚是VO引脚(14Pin),输出为模拟量，输出电压与被测电容值的关系如下：
    VO=GAIN×V2P25×1.14×(CS2T-CS1T)/CF+VREF (1)
其中：VO输出电压；GAIN为增益系数,一般为2或者4 V/V；V2P25为参考电压,一般为2.25 VDC;CS2T=CS2IN+CS2，CS1T=CS1IN+CS1(CS1IN,CS2IN为外部输入电容，CS1，CS2为芯片内置的可编程平衡电容器）；CF为电荷积分电路的积分电容，CF的大小决定芯片测量范围的大小；VREF可以被设置成0.5 VDC或2.25 VDC，一般在单变量输入时为0.5 VDC，在差分变量输入时为2.25 VDC。
    MS3110芯片具有一个60 bit的内部寄存器与一个100 bit的EEPROM，所以一般情况下可以直接使用芯片的内部寄存器来设置芯片的参数，可以通过TESTSEL(3Pin)来选择是否使用EEPROM。当TESTSEL拉低即可旁路掉片内的EEPROM；当TESTSEL拉高时，也可以通过WRT（11Pin）来选择对EEPROM编程(WRT=1)还是对片内寄存器编程（WRT=0）。
    SDATA（7Pin）与SCLK（8Pin）是芯片的通讯接口，SDATA是对芯片编程的串行数据输入口，SCLK为此提供时钟周期。CHPRST（1Pin）为芯片的复位引脚，3个NC端为芯片的保留端。
    MS3110只有13个需要连接的引脚，使它在使用中只需要很简单的周边电路即可，而它的大多数设置是通过编程实现的，以适应不同的需求。下面介绍具体参数设置。
1.2 参数设置详解
    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。
    如图2所示，CS1和CS2为补偿电容，它们的容值可以通过寄存器中CS1（8:0）和CS2（5:0）两个数组来调节,其中CS1调节范围为0~9.70 pF，CS2为0~1.197 pF,步进都为0.019 pF，CS1和CS2的真值表分别见表1和表2。本设计中被测变量选取为单变量的情况下，被测电容需要接在CSCOM与CS2IN之间，这时CS1值的选择将影响到电容值的测量范围。

    电荷积分电路中的积分电容CF容值也可以通过寄存器中CF（9:0）来设置,CF参数真值表如表3，同样该参数的选择也将影响到芯片的测量范围。
    MS3110的低通滤波器模块的通频频率通过CSELET（3:0）来设置，CSELET参数真值表如表4，滤波频率可选0.5 kHz~8 kHz，此参数的选择将决定芯片的工作频率。
    它的具体设置如下：芯片的运算放大器模块有两个参数需要设置，分别是放大系数与偏移电压补偿。放大系数由GAINSEL来设置，当GAINSEL=0时，放大增益为2；当GAINSEL=1时，放大增益为4。偏移电压补偿由SOFF参数来设置，该参数的选择一般由被测变量来决定。当被测变量为单变量时，SOFF=1，这时补偿电压为0.5  VDC；当被测变量为差分变量时,SOFF=0,这时补偿电压为2.25 VDC。
    另外,如图2所示，MS3110的一些基本工作参数如：V2P25引脚的电压修正由T（3:0）寄存位来设置，该引脚的2.25 VDC输入电压作为芯片工作的参考电压，在所有应用当中必须保持在-10 mV~+10 mV的误差范围内，在一般的使用当中，T（3:0）只需设置为[1,0,0,0]，此时表示对V2P25引脚的输入电压无修正。
    其他的几个参数：工作电流修正、工作振荡器修正以及输出运算放大器的直流电压偏移量修正分别设置R（2:0）、D（2:0）、OFF（4:0）这几个参数，使MS3110芯片能够满足更多的工作环境。一般情况下，都设置为Nominal，即R（2:0）=[1,0,0],D(2:0)=[1,0,0],OFF(4:0)=[1,0,0,0,0]。
1.3 参数的写入
    参数按照设计需求设定完毕后，需要写入芯片的寄存器中，数据由SDATA口以串行通讯的形式写入，通讯时钟周期要求为2 μs，需要写入的数据为60 bit。MS3110芯片的内部寄存器数据分布以及串行数据的写入顺序要求见表5。

    电源模块必须要做好整流和稳压设计, 特别是为V2P25提供2.25 V电压的电源一定要保持波动范围在-10 mV~+10 mV以内。上位机使用普通的微机即可，当单片机采集到数据以后，以串口通讯的方式将数据上传给上位机得到实时显示和保存。
2.2 软件设计
    软件方面，单片机初始化需要使用单片机的定时器来产生一个周期2 ?滋s的时钟信号用作与MS3110芯片通讯，完成对芯片的初始化，开始采样后，单片机负责将采样到的数据传送给上位机，直到采样结束，上位机将接收到的数据进行显示和存储。图4为其程序设计流程图。

    MS3110芯片将电荷积分电路、滤波电路以及放大电路集成在一起，而其又不要求复杂的外部电路，大大降低了测量电路的噪声。配合对内部的诸多参数寄存器的设置，也可以满足许多场合的电容值读取需要。本文对该芯片的引脚和内部寄存器设置进行了详细介绍，该芯片在MEMS电容传感器的设计中具有更广泛的应用前景。
参考文献
[1] 燕芳,李文涛.气/液两相流相关法测速系统的仿真研究[J].微计算机信息，2010(13):42-44.
[2] 胡红利,周屈兰,徐通模，等.电容式气固两相流浓度测量系统[J]. 仪器仪表学报，2007，28(11):1947-1952.
[3] 刘浪,马铁华,李新娥.基于TDC的微小电容测量电路设计[J]. 电子技术应用, 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] 刘民杰，刘云峰，董景新，等.基于MS3110电容读取芯片的MEMS加速度计[J].中国惯性技术学报，2010,18(2):236-239.