Прецизионная адаптивная система сбора аналоговых данных с интерфейсом USB. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2012

Zoltan Gingl, Венгрия

EDN

Схема, которую мы рассмотрим, объединяет микроконтроллер смешанных сигналов, мост USB-UART и новый адаптивный входной аналоговый каскад для подключения аналоговых датчиков. Схема представляет собой ни что иное, как систему сбора аналоговых данных, отличительной особенностью которой является возможность подключения аналоговых датчиков различных типов. Схема поддерживает управление и передачу данных по интерфейсу USB к Host устройству. Питание схема получает от порта USB, управление системой осуществляется с помощью простых команд с компьютера. Как для управления, так и для чтения данных можно даже использовать терминальную программу.

Примененный микроконтроллер компании Silicon Laboratories C8051F350 имеет 8051-совместимое ядро (Рисунок 1), что дает возможность использовать распространенные и доступные инструменты для разработки ПО и отладки проекта. Отличительной особенностью микроконтроллера является наличие 24-битного сигма-дельта АЦП, усилителя с программируемым коэффициентом усиления и входного мультиплексора, позволяющего реализовать дифференциальный или несимметричный режимы.

Рисунок 1.	Блок-схема микроконтроллера Silicon Laboratories C8051F350.

Характеристики микроконтроллера C8051F350:

• Высокоскоростное ядро 8051:
  • конвейерная архитектура;
  • выполнение 70% команд за 1 или 2 такта;
  • производительность до 50 MIPS;
  • расширенная обработка прерываний;
• Память:
  • 768 байт (256 + 512) внутренней памяти RAM
  • 8 Кбайт FLASH памяти, программируемой «в системе» секторами по 512 байт
• Аналоговая периферия:
  • 24-разрядный АЦП:
    • отсутствие пропущенных кодов;
    • нелинейность 0.0015%;
    • программируемая пропускная способность до 1 тыс. преобразований в секунду;
    • 8-канальный мультиплексор;
    • усилитель с программируемым коэффициентом;
    • встроенный температурный датчик.
    • генератор прерываний, реализуемый посредством организации окна
  • Два 8-разрядных ЦАП
  • Компаратор:
    • программируемый гистерезис и время срабатывания;
    • конфигурируется как генератор прерывания или сброса;
    • низкое энергопотребление (0.4 мкА).
• Цифровая периферия:
  • 17 полноценных портов ввода/вывода, 5 В толерантные;
  • аппаратные SMBus (I²C совместимые), SPI и UART последовательные порты;
  • четыре 16-битных счетчика/таймера общего назначения;
  • 16-битный программируемый счетчик (PCA) с тремя модулями захвата/сравнения;
  • режим реального времени с PCA, таймером, или внешним источником.
• Встроенный отладчик:
  • полный встроенный отладчик, отладка в системе (не требует эмулятора!);
  • предусмотрены установка контрольных точек, временных точек и пошаговое движение программы;
• Источники тактового сигнала:
  • встроенный программируемый генератор до 24.5 МГц с точностью 2%, поддерживает UART;
  • возможность работы от различных источников тактовой частоты;
  • встроенный умножитель частоты на 2 для получения 50 МГц внутреннего источника тактовых сигналов;
  • возможно переключение между источниками тактовых сигналов «налету».
• Корпус:
  • 28-выводной QFN (5×5 мм) или 32-выводной LQFP

Пользователям для собственных приложений доступны два выхода ЦАП и 5 цифровых линий вода/вывода, выведенных на разъем J₁). Один цифровой выход используется для программного управления светодиодом, оставшиеся цифровые выводы используются для конфигурирования двух входных аналоговых портов и обмена по последовательному интерфейсу при помощи моста USB-UART FT232RL (см. Рисунок 2). На один аналоговый порт подается опорное напряжение от встроенного в микроконтроллер источника (VREF).

Рисунок 2.	Микроконтроллер IC1 имеет входной мультиплексор, который позволяет использовать несимметричный и дифференциальный режимы АЦП и два выхода ЦАП. В распоряжение пользователя предоставлены также 5 незадействованных цифровых линий ввода/вывода.

Линейный стабилизатор напряжения 3.3 В серии LP2985AIM-3.3 служит для питания микроконтроллера (Рисунок 3). Питание микросхемы FT232RL (мост USB-UART) осуществляется непосредственно от USB порта, причем с применением схемы фильтрации (ферритовое кольцо, RC цепочка). Микросхема FT232RL позволит организовать обмен с компьютером, использующим любую операционную систему.

Рисунок 3.	Схема питания микроконтроллера и коммуникационный интерфейс на базе моста USB-UART FT232RL.

В следующей части статьи мы рассмотрим аналоговый каскад, который решает проблему подключения различных типов датчиков к микроконтроллеру, и его конфигурации.