隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，基于該工藝的微型器件得到了廣泛的應(yīng)用,其中最為代表性的是微機(jī)械加速度計(jì)及微機(jī)械陀螺的快速發(fā)展。由于微機(jī)械陀螺具有體積小、成本低、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此許多科研院所公司對(duì)其進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)，本實(shí)驗(yàn)室針對(duì)當(dāng)前高速旋轉(zhuǎn)彈的特點(diǎn)提出了一種利用彈體旋轉(zhuǎn)作為驅(qū)動(dòng)的陀螺。該MEMS陀螺通過(guò)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電容的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)載體角速率的測(cè)量。然而由于MEMS器件電容都比較小，工作工程中其變化范圍就更小，所以對(duì)微小電容的精確檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)三軸角速率提取正確的基礎(chǔ)。
　    本文針對(duì)這一情況提出一種可用于檢測(cè)微小電容變化的檢測(cè)電路。該檢測(cè)電路具有精度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)有MEMS陀螺微小電容的檢測(cè)，在MEMS器件及其他電容式傳感器測(cè)試中具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)工作原理
1.1 陀螺工作原理
   針對(duì)旋轉(zhuǎn)彈的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了利用其自身旋轉(zhuǎn)作為驅(qū)動(dòng)的三軸MEMS陀螺，該陀螺與傳統(tǒng)MEMS陀螺相比，在結(jié)構(gòu)上省去了驅(qū)動(dòng)部分，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

   其工作原理為：將陀螺捷聯(lián)安裝在彈體內(nèi)部，當(dāng)彈體旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)內(nèi)部質(zhì)量塊產(chǎn)生切線方向的速度vr，進(jìn)而當(dāng)彈體姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，亦即當(dāng)其偏航角速率和俯仰角速率發(fā)生變化時(shí)導(dǎo)致其投影在x軸上的速度發(fā)生變化，在這兩個(gè)速度的作用下，進(jìn)而產(chǎn)生哥氏加速度。隨著彈體姿態(tài)的變化，質(zhì)量塊受到的哥氏力也不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致質(zhì)量塊上下振動(dòng)，此時(shí)質(zhì)量塊與極板間的電容也發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)質(zhì)量塊與極板間電容的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈體三軸角速率的測(cè)量。根據(jù)陀螺結(jié)構(gòu)及相關(guān)理論可得，其電容變化范圍為-1.066 pF~1.066 pF，且最小變化量?jī)H為1.95 fF。
1.2 電容檢測(cè)系統(tǒng)工作原理
    該系統(tǒng)首先利用AD7747對(duì)所測(cè)電容進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)I2C總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，經(jīng)過(guò)單片機(jī)對(duì)所轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示或者將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的內(nèi)部Flash中，其總體框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)
2.1 硬件電路設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)硬件電路比較簡(jiǎn)單，主要包括STM32F405外圍電路的設(shè)計(jì)、與AD7747的通信接口電路設(shè)計(jì)以及其與上位機(jī)通信的接口電路設(shè)計(jì)。
2.1.1 AD7747相關(guān)簡(jiǎn)述
    AD7747是一款低成本、高分辨率的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其電容轉(zhuǎn)換位數(shù)可達(dá)24位。其既可測(cè)量差分電容，也可實(shí)現(xiàn)單端電容的測(cè)量。差分測(cè)量范圍為±8 pF，單端測(cè)量時(shí)最大可以測(cè)量25 pF的電容。
    本文所設(shè)計(jì)陀螺采用差分電容結(jié)構(gòu)，所以利用AD7747的差分測(cè)量來(lái)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)過(guò)程中，陀螺其中一個(gè)極板共地，另外兩個(gè)極板分別與芯片的CIN(+)、CIN(-)連接，同時(shí)為減小干擾，在連接線外面套上屏蔽線，將其與AD7747的SHLD端連接，以減少導(dǎo)線的干擾。然后AD7747通過(guò)內(nèi)部的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器及相關(guān)的配置來(lái)進(jìn)行容值的測(cè)量，并通過(guò)I2C總線將所測(cè)容值傳給單片機(jī)進(jìn)行處理。
2.1.2 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)
    本文所設(shè)計(jì)的電容檢測(cè)系統(tǒng)采用ST公司生產(chǎn)的STM32F405單片機(jī)。該單片機(jī)是一款32位基于CortexTM-M4內(nèi)核的ARM芯片，內(nèi)部Flash高達(dá)1 MB，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，且其開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便，能夠大大節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。所以本文選取該單片機(jī)作為該系統(tǒng)的控制中樞，其主要包括I2C數(shù)據(jù)傳輸、單片機(jī)與上位機(jī)的傳輸以及對(duì)AD7747及串口通信的基本配置。
    此外，當(dāng)單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于電平的不同，需要利用電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本文采用MAX232EUE及相應(yīng)的外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。其原理圖如圖3所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)
　該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、AD7747與單片機(jī)STM32F405的I2C通信設(shè)計(jì)和單片機(jī)與上位機(jī)的串口通信設(shè)計(jì)。
2.2.1 總體程序設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)的主程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心，用以完成器件的初始化、AD7747與單片機(jī)的通信控制、數(shù)據(jù)的上傳等，其具體流程圖如圖4所示。

2.2.2 I2C通信模塊設(shè)計(jì)
    AD7747數(shù)據(jù)發(fā)送/接收模塊是基于I2C通信協(xié)議的。I2C總線是由PHILIPS公司提出的一種兩線串行總線協(xié)議，其具有接線少、協(xié)議簡(jiǎn)單、誤碼率低和通信速率較高等特點(diǎn)。I2C協(xié)議是通過(guò)一根時(shí)鐘總線進(jìn)行發(fā)送機(jī)與接收機(jī)時(shí)間同步，使用一根數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖5是I2C協(xié)議起始信號(hào)和終止信號(hào)的定義，這使得發(fā)送機(jī)和接收機(jī)很容易識(shí)別有用信號(hào)的開(kāi)始和結(jié)束。圖6是AD7747給出的I2C總線傳輸序列。
    實(shí)現(xiàn)AD7747與STM32單片機(jī)的通信比較簡(jiǎn)單，只需選取合適的I/O口，然后對(duì)其正確配置即可實(shí)現(xiàn)正常通信。其具體配置為：
    #define  GPIO_Pin_SCL  GPIO_Pin_2；
    #define  GPIO_Pin_SDA  GPIO_Pin_3；
　   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_SDA | GPIO_Pin_SCL；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode _OUT；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed _50MHz；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_PP；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd _UP；
2.2.3 串口通信模塊設(shè)計(jì)
    該模塊主要是將處理完的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。該模塊需要上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)調(diào)工作，所以該模塊包含兩部分。下位機(jī)部分主要是通過(guò)對(duì)STM32單片機(jī)進(jìn)行合理的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)串口的正確傳輸；上位機(jī)部分采用VC++進(jìn)行編寫(xiě)，通過(guò)發(fā)送相應(yīng)的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 陀螺容值精度測(cè)試
    對(duì)于陀螺電容值的測(cè)量,首先利用4284阻抗分析儀分別對(duì)3個(gè)陀螺兩端的電容值進(jìn)行測(cè)量，獲得各陀螺相應(yīng)的容值,然后利用該電容檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量其差分值，并與4284測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比結(jié)果如表1所示。

    通過(guò)所測(cè)數(shù)據(jù)分析可得：該檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)差分電容的準(zhǔn)確測(cè)量，因此該系統(tǒng)能夠滿足電容式MEMS器件的信號(hào)檢測(cè)。
3.2 重復(fù)性及分辨率的測(cè)試

　該部分主要是利用三軸角速率轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)控制陀螺，使得質(zhì)量塊在不同位置時(shí)與極板間的間距發(fā)生變化，進(jìn)而電容產(chǎn)生變化，具體測(cè)試方法是轉(zhuǎn)臺(tái)按位置方式工作，其變化范圍為0°~90°~0°，變化幅度為10°。通過(guò)陀螺變化電容的測(cè)試對(duì)該系統(tǒng)的重復(fù)性及分辨率進(jìn)行測(cè)試。以2號(hào)陀螺為例，其測(cè)試結(jié)果如圖7所示。
    將所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行取點(diǎn)分析可得數(shù)據(jù)如表2所示。

    通過(guò)表2可以看出，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)陀螺變化電容的準(zhǔn)確測(cè)量，且能夠敏感1.6 fF容值的變化。對(duì)陀螺同一位置的兩次測(cè)量可以看出，兩次測(cè)量結(jié)果基本一致，說(shuō)明該系統(tǒng)的測(cè)量重復(fù)性良好。因此可得該檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，同時(shí)能夠敏感fF級(jí)電容的變化，在MEMS領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
    本文設(shè)計(jì)了基于AD7747和STM32F405的微小電容檢測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)其硬件電路及軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得，該系統(tǒng)測(cè)量的最小分辨率為1.6 fF，且測(cè)量精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)陀螺信號(hào)的正確測(cè)量。因此其也可應(yīng)用于其他電容式MEMS器件的信號(hào)測(cè)量，具有廣闊的應(yīng)用范圍。
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