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本设计采用单相模式电容输入，即把AD7746的激励端EXC'和电容器输入端CIN分别接至电容传感器的两电极，其原理框图如图4所示。其中，电容测量通道的激励端EXC'和电容器输入端CIN必须远离电压快速变化的走线。
图3.7 AD7746与平行班电容器链接原理
虽然该系列测试芯片可以达到很高的分辨率和精度，但由于环境对电容传感器的影响较大，在测量过程中不可避免的要引入测量误差。误差来源主要有寄生电容的干扰，温度变化导致的电解质介电常数的变化。除了考虑合理的电路布局要达到理想的测试精度，必须屏蔽或消除干扰，至少降低到可以接受的范围，补偿温度变化。
控制器和电容测量芯片AD7746采用3.3V电源均供，使用外接低阻抗电容的办法来减少电源对地的祸合作用，在图3.10中，采用并联C1和C2 (C1=0.1pF, C2=10pF)的方法来解决此问题。AD7746提供了32kHz激励频率，保证传感器系统有足够的带宽，可避免与电源电压中的杂波发生祸合，被测电容与芯片之间采用固定的连接模式，以消除或减少可变寄生电容。稳定寄生电容可以通过电容偏移标定消除，我们只需写CAPOFFSET寄存器即可完成。大多数情况下都需要温度补偿。温度的变化可以用温度传感器测量，通过软件进行补偿。
微控制器STM32F103内部集成了I2C接口，I2C(内部集成电路)总线接口掌控了微控制器与串行I2C总线之间的通信，可以在多主或从模式运作，并控制I2C总线特定时序、协议、仲裁和时间。它支持标准的速度模式和快速模式，支持7位和10位寻址模式，多个7位从地址，同样也兼容SMBus(系统管理总线)和PMBus(电源管理总线)。I2C除了接收和发送数据外，该接口可将它从串行转换到并口模式，反之亦然。I2C总线是由数据引脚SDA和时钟引脚SCL连接的，还包括可编程的模拟和数字噪声滤波器。
要控制I2C总线上的AD7746芯片，必须遵循以下协议。首先，微控制器通过建立开始条件发起数据传送，起始条件定义为SCL为高时，SDA由高向低的跳变。这表明后面跟的是开始字节。8位开始字节由7位地址和一个读/写标识位组成。芯片读写时序图
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如图3.14所示。读/写(R/W)位决定了数据的传输方向。开始字节的最低位为逻辑0表示向指定地址的外设写信息。这种情况下AD7746就是从收者，开始字节的最低位为逻辑1表示微控制器从指定地址的外设读信息。这种情况下，AD7746变成了从发送者。在所有情况下，AD7746在总线上都是作为从器件。AD7746的开始字节地址，写时是0x90，读时是0x91。芯片读写操作图按图3.15所示进行。读操作和写操作类似，下面只介绍读寄存器的操作。
图3.8 AD7746芯片读写时序图
图3.9 AD7746读写操作图
当在开始字节里选择读操作时，地址指针寻址的寄存器内容就AD7746传输到SDA线上了。单片机进行时钟输出，AD7746就等待单片机的确认。如果它接收到单片机的确认，地址自动增量寄存器就自动地增加地址指针的值，输出下一个指定地址的寄存器内容到SDA线上，传输到微控制器。如果没有收到确认位，AD7746就返回到空闲状态，地址指针就不再增加。
地址指针自动增量寄存器允许数据块从开始地址进行读写。在连续转换模式下，地址指针的自动增量寄存器需要在读转换结果时用。这就意味着，这三个字节需要用一条多字节来读取指令，而不是用三条独立的单字节指令。单字节指令可能导致两个不同结果混淆起来。同样如果电容通道或者电压通道都使能的话，就要使用多字节来读指令读取六个字节。用户也可以对任意唯一的寄存器(地址)进行一对一访问，而不管其它寄存器。地址指针寄存器内容不能读取。
如果地址指针字节后是重复开始条件，则总线上所有的器件就如开始条件时那样进行响应，重新开始条件与开始条件是一样的。当单片机发出停止条件时，它就放弃了对总线的控制，允许其它的主器件接管总线。因此微控制器可以通过发出重复开始条件实现对总线的连续控制。
AD7746系列芯片内部均有19个寄存器，可以分为三类:状态寄存器、数据存储寄存
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器和设置寄存器。状态寄存器地址指针0x00，只读，默认值0x07。该寄存器指示转换器的状态。管脚反映在状态寄存器的RDY。因此，RDY脚由高向低的跳变也可以用来作为转换完成的指示。RDYVT和RDYCAP位为‘0’分别表示温度通道和电容通道的转换完成可以度数据。数据寄存器主要用来存储转换结果。CAP DATA H, CAP DATA M和CAP DATA L分别存放电容转换完成后数值的高、中和低位。VT DATA H, VT DATA M和VTDATAL分别存放温度转换完成后数值的高、中和低位。设置寄存器的功能主要是设置芯片的功能。通过设置CAP SETUP寄存器使能电容通道，(AD7746选择电容通道)，选择电容通道工作模式。VTSETUP寄存器使能和配置温度转换通道。EXC SETUP配置激励信号CONFIGURATION设置芯片数据转换频率和工作状态。CAP DAC和CAP OFFSET寄存器分别设定DAC ,电容偏移值。
3.3 基于STM32的信息处理模块设计
由于高精度电容检测芯片AD7746是通过I2C串行接口对寄存器进行数据读取，所以本设计的信号处理模块采用带有IZC串口的微控制STM32F103进行信号处理与控制，与单片机相比，它减少了软件开销，可以直接利用其函数库就可以进行调试，它可对AD7746内部寄存器进行设置和测量数据的读取，利用在线编程软件对测量数据进行分析与处理，再把测量到的结果通过LCD1602进行显示。
STM32F103系列芯片编程手册提供了应用程序和系统级软件开发人员的信息。它给出了关于STM32 CortexTM-M3处理器编程模式、指令集和核心设备的完整信息。它采用高性能的ARM CortexTM-M3的32位RISC内核，因此与所有的ARM工具和软件兼容。最大工作频率可达48MHz, 16K到64K字节的闪存，带有硬件奇偶校验的8K字节SRAM，并广泛集成增强型外设和I/O口;提供了多达两个I2C、两个USART、两个SPI和一个I2S等标准的通信接口;一个12位ADC(多达16个通道)，一个12位DAC，多达11个定时器和一个高级控制PWM定时器;工作环境温度在一40至++105 0C温度范围，工作电源电压可使用2.0至3.6V之间;具有从32个引脚到64个引脚不等的三种不同的封装，各自的外设各不相同;具有一套全面的为低功耗应用设计准备的省电模式的性能。这些功能特点使得STM32F103系列微控制器系列在控制和用户界面，手持设备，A/V接收机和数字电视，PC外设，游戏和GPS平台，工业应用，可编程控制器，逆变器，打印机，扫描仪，报警系统，视频对讲，HVACs等领域得到了广泛的应用。
3.4 数据显示模块设计
本设计显示模块采用LCD 1602，主要负责显示测量到的电容值数据及测量结果和预
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警信息，符合测量结果的要求，因此就选择它作为显示模块。LCD 1602是常用的液晶显示屏，它显示的内容为16*2，即可以显示两行，每行16个字符，目前绝大多数字符液晶基于HD44780液晶芯片的，因此对LCD 1602的编程可以参考HD44780的控制程序来编写。LCD1602一般分为5V和3. 3V两种，而此次选用STM32F103微控制器芯片其电压类型为3.3V，因此选取LCD 1602应使用3.3 V类型的，如果选用5V类型的则需额外增加电平转换电路。LCD 1602液晶模块内部的控制器具有11条控制指令，如图3.10所示。
图3.10 LCD1602引脚功能图
3.5 硬件电路抗干扰设计
电路设计中重要一环就是印制电路板抗干扰技术的设计。本设计的硬件电路抗干扰技术有:首先要在各个关键部位加上去藕电容，在电源输入端接上一个10-100μF电解电容和在每个集成芯片的电源端加上一个0.01μF的陶瓷电容确保电源电压保持稳定;其次，在进行PCB布线时，元器件面和焊接面的各印刷引线尽量相互垂直，以减小寄生电容，尽可能不在集成芯片引脚之间走线。
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4 检测系统软件程序设计方案
4.1 软件系统总体设计思路以及采用开发环境
系统程序设计、调试过程及其难易程度与开发环境密切相关，尤其是在面向MCU的程序设计当中显得十分重要。一个完善的应用程序开发环境可使程序设计简单化、程序开发周期更短。开发环境具有编辑器、编译器、调试器，源程序编辑、编译、下载、调试全部可以在一个环境下完成的功能特点，并可以进行软件仿真(不用仿真器也能模拟用户程序)和硬件仿真。应用程序开发环境，首先能够实现程序与MCU的快速通信，方便应用程序读取数据，其次要有方便的程序调试工具，如单步、连续、设断点运行等，能修改程序指令及查询程序运行状态。
本课题采用Keilμ Vision4版本开发环境进行程序设计，如图4.1所示，它是由ARM公司发布的，可支持基于ARM的STM32F103系列微控器。Keilμ Vision4拥有一流的C语言编程环境以及一些高级功能，如语法高亮显示、代码折迭和展开、快速点击导航变量和函数定义及声明等。Keilμ Vision4窗口管理系统非常灵活，使开发人员能够使用多台监视器，并提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，为开发应用程序提供一个整洁，高效的环境; Keilμ Vision4不仅支持C语言，还支持汇编语言，同时也允许在同一个项目中自由地进行汇编语言和C语言的混合编程;对外部内存的读/写访问是透明的;KeilμVision4还拥有广泛的库支持，包括PWM,SPI, I2C, DART、字符串操作和数学函数库;数据和代码的存储空间分配能够被用户完全控制。其编译器、调试工具能够与ARM器件实现最完美的匹配。
图4.1 KeilμVision4开发环境