电场成像器件IC（MC33794）

      Motorola公司提供行业内惟一可产生及检测低水平电场和功率并支持微控制器（MCU）的集成电路（IC），所有这些功能均集成在单个芯片中。

      如今，设计工程师在需要非接触探测和三维（3D）电场成像的嵌入式系统中使用MC33794，可减少系统所需器件和成本。这款IC支持微控制器及多达9个简单的电极。这些电极均可独立使用，以提供在微弱电场中的物体的尺寸和位置等信息。

      以前为了实现相同功能需要使用许多分立器件，MC33794是为了替代这些分立器件而设计的。这款IC的应用目标包括电器、机器、汽车安全系统和使用人体感应触摸板输入作为用户接口的任何产品或者系统。

      下文描述了利用此技术如何无干扰地测定液体高度。

      水的检测

      电场成像技术非常适合于非导电容器内液体高度的测定。测定工作可以在容器外完成，而且测量时无须内部或接地结构。这种方法可以测量任何介电常数的导电液体，或者介电常数比一般值大很多的非导电液体。

      水很容易测量，因为水具有很高的介电常数（80），而且当水中溶解了盐或者其他的杂质后很容易传导。另一方面，油、汽油和石油产品却很难测量，因为它们的电介质常数相对较低(2～8)，传导率也比较低。为了正确探测容器中液体的种类，电极设计时必须把上述几点因素考虑在内。在某些情况下，电介质常数的差异可以用于测定容器中液体的种类，甚至检测出多余液体的存在。例如，可能用于检测燃料油罐中的水。

      水的测定可以通过放置于容器外的电极来完成。水存在与不存在的灵敏度是由透过水的电场强度和未透过水的电场所决定的。简单地说，两块电极可以放置于容器的两边，电场会穿过这个中间区域，探测到是水还是空气。这个区域的电流量是由多少电场流经水和多少来决定的。

      这种简单方法的问题是：随着电极之间的距离增大，电场的强度（伏/米）会随之减小。最终的结果是电流变小。随着穿透容器的距离的增加，灵敏度也开始下降。

      另一种方法是测量放置于容器外的两相邻电极之间的弥散场。在某些情况下，这种方法要比容器两侧电极测量的方法更有效。

      测量实验

      我们决定使用Motorola的MC33794电场成像器件评估套件研究这种方法。图1为我们实验设备的示意图。我们使用黏性铜带作为电极。可以在铜带上直接焊接，然后作为带子绕在试管上。试管为本地塑料供应厂提供的透明聚氯乙烯管（PVC）。这样，观测和测量液体都比较容易。玻璃试管或者其他类型的塑料试管也可以使用。评估模块的EFLD程序和模块本身使实际建立电场测量系统非常容易。

      我们首先使用自来水，加水到不同的高度，从屏幕上读出电极的输出数值。如果铜带相隔2英寸放置，结果会产生一条水平面和铜带的关系曲线。如果铜带相隔减少为1英寸和1/4英寸，则会得到相应的不同曲线。

      如果向水中加入盐，增加其导电性，同样会得到不同的曲线。上部电极的测量曲线如图2所示。

      测量过程是怎样实现的？

      要弄清测量过程是怎样实现的，最重要的就是要了解MC33794在进行测量时做了哪些工作。这个芯片内部是一个正弦波发生器，它的频率可以通过一个连接在IC引脚上的电阻加以调整。使用时，它的频率通常被调整在120～130kHz的ISM波段范围之内。这个5Vp-p的信号通过IC内部的22kΩ电阻，然后再通过一个模拟开关后，被反馈到一个电极引脚上。由于内部电阻上电压的回落，该引脚上信号的幅度就会随引脚输出电流而降低。IC内的探测器将这个交流电压转化成直流电平。在评估模块中，模块控制单片机的8位AD转换器将这个模拟信号转换成8位的数字。当计算机发出请求后，这个带有RS232IC的单片机就通过COM口把测得的数值返回给计算机。EFLD程序把这个值转换为0～255之间的十进制数，并显示在屏幕上。同时，还能产生与液体高度相关的模拟条状图。

      在一次测量中只选择一个单独的电极引脚。所有其他的电极引脚都通过IC内部的开关连接到IC的地线引脚上。从电极引脚流出的电流必须经过一个完整的回路后回到IC的地线引脚上。可以利用连接到地线引脚上的目标或者是通过其他的电极来完成这个工作。IC的地线引脚需要连接到地线层上。连接到这个引脚的路径并不要求是直流路径。但是，这个路径必须能够在120kHz的操作频率下传送电流。在整个电源主体部分中，通常都可以发现一条从电源供给端到地线的回路。其重点是任何一个通过IC的交流回路都能提供电流并改变读数。所以要做的一个很重要的事情就是要减小这种“杂乱”的路径，而尽可能获得所要测量的目标物所带来的较高百分比的测量值变化。在我们的测试设置中，提供给从电极引脚流出的电流的最近返回路径是将其连接到临近的电极上得到的。

      我们能够“看到”管子内部液体是由于两个电极之间存在着弥散边缘电场。如图3所示，表示了两个导体之间端到端的直接的电力线和电极之间的一对弥散电场电力线。该图还表明了为什么我们希望通过远离两个电极来获得更大的测量值结果。可以在图2中看到实际的测量值。与圆柱内水面的上升相对应，在电极间距为2英寸时，得到测量值的变化总量为18，而在电极间距为1/4英寸时，得到的总量为15。

      对实验结果的分析

      可以看到图2中铜带间隔为1/4英寸所对应的曲线要比相距2英寸所对应的曲线低。这是因为电极相距越近，电极间的固有电容就越大。这意味电极的负载越高，所得读数越低。在水面上升并超过电极的过程中，如果铜带间隔越小，曲线的变化率越大。

      从图2中还可以发现一个有趣的现象：当水面接近电极但仍低于电极高度时，水面的上升对应的曲线变化大；而水面超过电极高度之后曲线的变化就很小了。当水面超过某测量电极后，该电极就不再能灵敏地测出水面的变化。如果有另一个电极放在测量电极的上方，那么就应该改用在上方的电极接着测量。

      当水面高度位于两个电极之间时，水柱的变化和曲线变化有较好的线性关系。这意味着可以在水柱周围放置多个电极，通过观察哪些电极测得的值在某一参考值之下来定出水面的位置；如需更加准确地算出液面的位置可以采用线性内插法。

      当水中加盐时，对曲线整体形状变化很小，仅向左平移。在离电极稍远处曲线的变化已经很大了，在盐水到达电极高度之后，曲线也几乎保持不变了。这样的结果主要是由于加盐后液体导电能力增加引起的。

      当我们改用石油（介电常数＝2.1）来做实验时，液面上升引起边缘电场的变化不足以被探测器探测到，至少一个8位的AD变换数值分析器不能探测出来。

      一个更好的用于探测低介电常数和低导电率液体的方法，是让尽量多的电场都通过被测液体。要获得最大灵敏度通常要求电极浸入液体中，但是电极与液体的接触通常是应该避免的。直流电或直流电引发的化学反应都会使读数产生错误。如果电极与液体的直接接触不可避免，可以在电极和IC之间串接一个10nF的电容来消除直流影响，如图4所示。

      针对不同液体的测量可能采用不同的电极，电极的电容应控制在50pF左右。包括IC引脚、印刷线路板、引线和其他杂散电容在内的整个系统总电容必须严格控制在100pF之下，最好能保持在75pF以下。这个电容值能使系统与MC33794芯片很好地匹配。在测量距离大时应使用大电极，距离小时用小电极。

      采用MC33794和简单的电极，加上一个MCU就能使设计者轻松地进行3D成像和检测。除了测量液面高度外，系统还能够检测有无液体溢出或者测量湿度。比如，可以用于控制火炉在液体沸腾时自动降低功率或者关闭。

      组件信息

      ●最佳工作频率为120kHz纯正的可调正弦波发生器

      ●多达9个测量电极和2个参考电容

      ●屏蔽驱动可减低较长同轴电缆上的电容影响

      ●带触摸指示灯驱动

      ●有上电复位、内置看门狗、电源和ISO9141物理层通信接口等支持MCU的信号

      上面的实验是MotorolaMC33794评估模块的应用实例。该模块包括一个已有程序的MCU和在测量中必须使用的软件。利用KIT33794DWB开发工具包可以帮助开发者缩短研发周期。该开发工具包包括技术文档、软件光盘、MC33794芯片、Motorola68HC908GY4单片机,辅助器件和RS232串行驱动芯片。