NAFExx388評估板：工業(yè)級多通道模擬輸入AFE的全面解析

在工業(yè)電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，高精度的模擬輸入采集與處理是許多應(yīng)用場景的核心需求。NXP的NAFExx388評估板為我們提供了一個(gè)便捷且強(qiáng)大的解決方案，能夠滿足工業(yè)過程控制系統(tǒng)等對高精度測量的嚴(yán)格要求。今天，我們就來深入了解一下這個(gè)評估板。

文件下載：NXP Semiconductors NAFEx88-EVB 評估板.pdf

一、評估板簡介

NAFExx388評估板是針對NAFE11388、NAFE71388、NAFE13388和NAFE73388這些高度可配置的工業(yè)級多通道模擬輸入模擬前端（AFE）設(shè)計(jì)的測試平臺。這些AFE器件由低泄漏、高壓多路復(fù)用器、低失調(diào)漂移緩沖器、低噪聲和漂移的可編程增益放大器（PGA）、精密的24位Σ - Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及低漂移電壓基準(zhǔn)組成，能夠很好地滿足高精度測量的需求。

同時(shí)，該系列AFE還集成了用于電磁兼容性（EMC）和錯(cuò)誤接線場景的輸入保護(hù)電路，以及用于輸入、開路和短路以及阻抗檢測的診斷電路。先進(jìn)的診斷電路可實(shí)現(xiàn)通道環(huán)回讀取，還有輸出電壓或電流偏置電路。兩個(gè)精確的參考電壓源支持端到端系統(tǒng)自校準(zhǔn)和高級異常檢測，為預(yù)測性維護(hù)提供了有力支持。

此外，評估板配備了圖形界面，方便用戶輕松探索驅(qū)動程序的不同功能。芯片通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI總線端口與主機(jī)通信，評估軟件可在Microsoft Windows 7、8和10 PC平臺上運(yùn)行。

二、資源獲取

NXP Semiconductors在其官方網(wǎng)站http://www.nxp.com上為該評估板及其支持的器件提供了豐富的在線資源。評估板的信息頁面為http://www.nxp.com/NAFExx388 - EVB，該頁面提供了概述信息、文檔、軟件和工具、參數(shù)信息、訂購信息以及“入門指南”選項(xiàng)卡?！叭腴T指南”選項(xiàng)卡提供了適用于使用該評估板的快速參考信息，包括本文檔中引用的可下載資源。

三、使用前準(zhǔn)備

（一）套件內(nèi)容

• 裝在防靜電袋中的已組裝和測試的NAFExx388 - EVB評估板
• USB 2.0電纜
• 備用跳線
• OM13098（LPC54628）MCU評估板

（二）前提條件

雖然熟悉SPI總線會有所幫助，但并非必需條件。

（三）靜電處理要求

該器件對靜電放電（ESD）敏感，因此在運(yùn)輸和處理過程中需要格外小心。在拆包或處理硬件之前，必須使用接地帶或觸摸PC機(jī)箱或其他接地源。

（四）最低系統(tǒng)要求

• PC奔騰處理器（或等效處理器）
• 一個(gè)USB端口（3.0或2.0兼容）
• Windows 7、8、10操作系統(tǒng)
• OM13098（LPC54628）MCU評估板（可從www.nxp.com獲?。?/li>

（五）電源要求

對于NAFExx388的設(shè)置，將PC連接到三個(gè)USB端口（J1、J2和J3）中的J2端口，為OM13098 MCU評估板供電。需要注意的是，NXP強(qiáng)烈建議不要為NAFE11388 - EVB使用24V輸入，因?yàn)檫@會導(dǎo)致該板不符合FCC和歐盟輻射發(fā)射要求。如果最終用戶使用24V輸入為NAFE11388 - EVB板供電，則需承擔(dān)全部責(zé)任。

四、硬件認(rèn)識

（一）板載主要組件

（二）套件特色組件

• 一個(gè)完整的NAFExx388評估平臺
• 八輸入SW可配置AI - AFE
• 基于易于使用的GUI的軟件，可展示AI - AFE系列的代表性產(chǎn)品NAFE11388和NAFE13388的功能，具體取決于板上安裝的部件
• 可使用外部電源為NAFExx388評估板供電
• 也可以使用板載變壓器為NAFExx388提供DC - DC電源（+3.3V，±15V），以實(shí)現(xiàn)便攜性和演示目的
• 設(shè)有方便的測試點(diǎn)，便于進(jìn)行示波器測量和信號訪問
• 具備與主機(jī)PC連接的USB接口

（三）跳線設(shè)置

評估板提供了針對外部電源供應(yīng)和AC - DC適配器/變壓器電源供應(yīng)的不同跳線設(shè)置，具體如下：

1. 外部電源供應(yīng)跳線設(shè)置（+3.75V，+15.4V， - 15.4V）

2. AC - DC適配器/變壓器電源供應(yīng)跳線設(shè)置（+3.75V，+15.4V， - 15.4V）

需要注意的是，在連接AC - DC適配器之前，請確保J88處于開路狀態(tài)。

五、硬件配置

（一）連接步驟

1. 使用Arduino連接器將NAFExx388（AFE）評估板牢固地連接到LPC54628（微控制器）評估板。
2. 將NAFExx388（AFE）評估板底部的J15、J18、J19和J22公連接器滑入LPC54628（微控制器）評估板上相應(yīng)的母連接器中。
3. 在J9上施加AVDD/DVDD = 3.75V，在J10上施加HVDD = +15.4V，在J11香蕉插孔連接器上施加HVSS = - 15.4V，然后打開電源。由于用于反極性保護(hù)的肖特基二極管上的電壓降以及由于電源電流流入器件引腳而在5Ω電阻上的電壓降，J9、J10和J11上大約需要額外的0.4V電源。
4. 使用USB轉(zhuǎn)uUSB電纜將PC（USB）連接到LPC54628EVAL（uUSB）。

六、工具接口使用

（一）GUI安裝

右鍵單擊可執(zhí)行文件（SetupNAFExx388_x.x.x），以管理員身份運(yùn)行，然后按照提示安裝應(yīng)用程序。安裝完成后，點(diǎn)擊Windows左下角的“開始”按鈕，找到NAFExx388_EVB GUI應(yīng)用程序。

（二）MCU（OM13098）板固件更新

如果GUI檢測到MCU板中的固件較舊，會顯示“MCU固件更新所需”的消息。此時(shí)，點(diǎn)擊“確定”更新MCU板中的固件，然后按下SW1（復(fù)位按鈕）重置MCU板。

（三）連接檢查

點(diǎn)擊NAFExx388_EVB GUI應(yīng)用程序打開GUI。如果與MCU或評估板沒有連接，GUI左上角的消息會顯示相應(yīng)提示?！皵嚅_連接”標(biāo)簽表示MCU板和PC之間未建立連接。當(dāng)通過USB連接后，MCU會發(fā)出部件讀取命令，相應(yīng)地更新部件標(biāo)簽和類型（低功耗或高速）。成功連接到MCU板后，GUI會更新為“已連接”標(biāo)簽，并且會識別部件編號并相應(yīng)地更新自身。

（四）工具使用

1. 原理圖快捷方式

可以通過GUI的菜單欄“幫助” -> “EVKit原理圖”直接打開評估套件的原理圖。

2. 通道配置

通過可編程增益放大器（PGA）的下拉菜單選擇通道增益，通過ADC的相應(yīng)下拉菜單配置數(shù)據(jù)速率、SINC濾波器階數(shù)和建立模式。

3. 轉(zhuǎn)換模式

該設(shè)備支持五種類型的讀?。ㄞD(zhuǎn)換）模式：

• 單通道單讀取（CMD_SS）
• 單通道連續(xù)讀?。–MD_SC）
• 多通道單讀取（CMD_MS，未來版本可用）
• 多通道多讀?。–MD_MM）
• 多通道連續(xù)讀?。–MD_MC）

具體操作方式如下：

• 單通道單讀取：從MUX下拉菜單中選擇要測試的輸入，然后點(diǎn)擊“單讀取”按鈕，在“讀取結(jié)果”框中讀取輸入電壓。
• 單通道連續(xù)讀取：在框中輸入所需的樣本數(shù)，點(diǎn)擊“連續(xù)讀取”按鈕。點(diǎn)擊后會彈出一個(gè)對話框，選擇一個(gè)文件夾以在硬盤上創(chuàng)建一個(gè)包含所需樣本數(shù)的.csv轉(zhuǎn)換結(jié)果文件。
• 多通道多讀取：使用AFE配置下拉菜單預(yù)先配置要排序的適當(dāng)通道，并在GUI右下角的“多通道”部分相應(yīng)地啟用這些通道編號，然后點(diǎn)擊“多讀取”按鈕，在“讀取結(jié)果”多框中讀取輸入電壓。
• 多通道連續(xù)讀取：類似多通道多讀取的步驟預(yù)先配置通道，點(diǎn)擊“連續(xù)讀取”按鈕，等待對話框選擇文件夾以在硬盤上創(chuàng)建一個(gè)包含所需樣本數(shù)的.csv轉(zhuǎn)換結(jié)果文件。

4. 數(shù)據(jù)速率選擇

AI - AFE提供了靈活的ADC配置，允許用戶配置建立模式、數(shù)字SINC濾波器和數(shù)據(jù)速率。數(shù)據(jù)速率輸出是建立模式、數(shù)字SINC濾波器和數(shù)據(jù)速率組合的函數(shù)。配置AI - AFE的簡單方法是：先選擇建立模式（正?；騿沃芷冢龠x擇數(shù)字SINC濾波器，最后選擇數(shù)據(jù)速率。

5. 系統(tǒng)和GPIOs配置

可以通過“系統(tǒng)/GPIO”視圖管理ADC系統(tǒng)的一些設(shè)置，如參考選擇（REF_BYP和REFPADC）、ADC數(shù)據(jù)位數(shù)（24或16位）、時(shí)鐘選擇（內(nèi)部、外部或晶體）以及數(shù)據(jù)就緒信號行為。NAFE有十個(gè)GPIO，可通過GUI在輸出和輸入模式下進(jìn)行管理。

6. DMM視圖

“DMM”選項(xiàng)卡是一個(gè)簡單的界面，用于查看以時(shí)間為函數(shù)采集的數(shù)據(jù)（連續(xù)模式）。

7. 寄存器讀取選項(xiàng)卡

在“寄存器讀取”選項(xiàng)卡中，可以讀取設(shè)備的一些寄存器、系統(tǒng)寄存器和基于通道的寄存器。如果需要基于通道的寄存器，可在通道選擇器中選擇所需的寄存器。

8. 校準(zhǔn)選項(xiàng)卡

按照“校準(zhǔn)”選項(xiàng)卡中的說明對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，所選的增益/偏移寄存器將根據(jù)該過程進(jìn)行寫入和更新。

七、應(yīng)用測試案例

（一）單通道讀取（SCR）示例

1. 在AFE配置下拉菜單中選擇用于讀取電壓的通道配置（通道#0 - #16配置）。
2. 從MUX下拉菜單中選擇輸入通道（HV_INP，HV_INV）。
3. 在下拉菜單中選擇PGA、SINC濾波器、ADC設(shè)置模式、ADC數(shù)據(jù)速率、通道程序延遲和校準(zhǔn)系數(shù)設(shè)置。
4. 點(diǎn)擊“單讀取”按鈕，在“讀取結(jié)果”框中讀取單通道電壓值。

（二）單通道連續(xù)讀?。⊿CCR）示例

1. 按照單通道讀取的步驟1 - 3進(jìn)行操作。
2. 在“樣本數(shù)”框中輸入數(shù)字。
3. 點(diǎn)擊“連續(xù)讀取”按鈕，以讀取單通道的多個(gè)電壓值，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.csv文件。
4. 打開.csv文件查看電壓值數(shù)量。

（三）多通道讀取（MCR）示例

1. 通過點(diǎn)擊“啟用”復(fù)選框選擇多個(gè)通道。
2. 在AFE配置下拉菜單中逐個(gè)選擇啟用的通道配置（通道#0 - #16配置）。
3. 從MUX下拉菜單中選擇輸入通道（HV_INP，HV_INV）。
4. 為每個(gè)通道配置在下拉菜單中選擇PGA、SINC濾波器、ADC設(shè)置模式、ADC數(shù)據(jù)速率、通道程序延遲和校準(zhǔn)系數(shù)設(shè)置。
5. 點(diǎn)擊“多讀取”按鈕，在“讀取結(jié)果”框中讀取多個(gè)通道的電壓值。

（四）多通道連續(xù)讀取（MCCR）示例

1. 按照多通道讀取的步驟1 - 3進(jìn)行操作。
2. 在“循環(huán)數(shù)”框中輸入數(shù)字。
3. 點(diǎn)擊“連續(xù)讀取”按鈕，以讀取多個(gè)通道的電壓值，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.csv文件。
4. 打開.csv文件查看電壓值數(shù)量。

（五）保存和加載配置文件

NAFExx388 GUI提供了方便的保存和加載配置文件功能，用戶可以將當(dāng)前的AFE通道#0 - 16配置、GPIO配置、SCCR樣本數(shù)、MCCR啟用通道和MCCR循環(huán)數(shù)保存為.acs（AFE配置設(shè)置）文件。之后可以加載之前保存的.acs配置文件，將所有配置設(shè)置加載到GUI中，而無需在GUI中逐個(gè)手動更改每個(gè)設(shè)置。

（六）快速傅里葉變換（FFT）頻譜分析

要進(jìn)行準(zhǔn)確的頻譜分析，源發(fā)生器的頻率和AI - AFE時(shí)鐘必須保持相干。需要滿足兩個(gè)條件：源發(fā)生器和AI - AFE時(shí)鐘應(yīng)同步；輸入頻率、數(shù)據(jù)速率輸出和樣本計(jì)數(shù)應(yīng)選擇為產(chǎn)生整數(shù)個(gè)正弦波周期。如果不滿足這些條件，可能會發(fā)生FFT頻譜泄漏，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。為了表征AC性能，需要高質(zhì)量的源，否則性能可能會受到源性能的限制。

（七）單通道連續(xù)讀?。⊿CCR）使用SPI命令與SYNC引腳對比

1. 使用SPI命令

在GUI中設(shè)置為單周期模式，ADC數(shù)據(jù)速率為12 ksps，PD = 6.9μs，點(diǎn)擊“連續(xù)讀取”按鈕。通過邏輯分析儀捕獲的波形可以看到，SPI命令時(shí)鐘的最后一個(gè)下降沿相對于DRDYB信號的下降沿，即ADC讀取時(shí)間。

2. 使用SYNC引腳

在GUI中設(shè)置為單周期模式，ADC數(shù)據(jù)速率為12 ksps，PD = 6.9μs，選擇“使用SYNC引腳觸發(fā)新轉(zhuǎn)換”復(fù)選框，然后點(diǎn)擊“連續(xù)讀取”按鈕。邏輯分析儀捕獲的波形顯示，SYNC脈沖的上升沿相對于DRDYB信號的下降沿，即ADC讀取周期時(shí)間。

（八）GPIO管理

1. 輸出

板載LED連接到GPIO9，因此GPIO9是測試輸出行為的最佳選擇。將GPIO9配置為輸出，設(shè)置GPO狀態(tài)單元，然后觀察LED狀態(tài)的相應(yīng)變化。

2. 輸入

將GPIO9短接到GPIO6，將GPIO6設(shè)置為輸入，GPIO9設(shè)置為輸出。將GPIO9設(shè)置為高電平，點(diǎn)擊“讀取”按鈕；再將GPIO9設(shè)置為低電平，點(diǎn)擊“讀取”按鈕，觀察相應(yīng)的輸入狀態(tài)變化。

八、應(yīng)用演示

在GUI中，可以嘗試NAFE的三個(gè)典型應(yīng)用：

（一）板載RTD溫度測量

評估套件具有由兩個(gè)電阻和一個(gè)熱敏電阻組成的分壓器，由ref_buf輸出供電。在該部分可以配置SINC濾波器、單/正常周期和數(shù)據(jù)速率。按下“開始單轉(zhuǎn)換”下方的“播放”按鈕將執(zhí)行單轉(zhuǎn)換，會顯示兩個(gè)結(jié)果：原始電壓結(jié)果和溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果。在選項(xiàng)卡底部有一個(gè)圖表和兩個(gè)按鈕：“播放”和“停止”。按下“播放”按鈕將執(zhí)行連續(xù)轉(zhuǎn)換，直到按下“停止”按鈕。連續(xù)轉(zhuǎn)換每次配置為進(jìn)行100個(gè)樣本，這些樣本將繪制在圖表上。需要注意的是，在連續(xù)模式下不能設(shè)置過慢的速率，否則會出現(xiàn)警告消息。

（二）四線PT100溫度測量

PT 100溫度傳感器是最常見的鉑電阻溫度計(jì)類型。四線配置可以通過兩根線施加電流，在另外兩根線上讀取電壓，從而消除因電流導(dǎo)致的電壓降。在該部分可以配置Sinc濾波器、單/正常周期、數(shù)據(jù)速率、輸入引腳（Sense）、輸出電流引腳（Force）、電流大小和電流符號。操作方式與板載RTD類似，執(zhí)行單轉(zhuǎn)換或連續(xù)轉(zhuǎn)換，并查看相應(yīng)結(jié)果。同樣，連續(xù)模式下不能設(shè)置過慢的速率。

（三）稱重傳感器重量測量

以應(yīng)變片稱重傳感器為例，在該部分可以配置Sinc濾波器、單/正常周期、數(shù)據(jù)速率、輸入引腳（Sense）、輸出電壓引腳（Force）、電壓大小和電壓符號。由于與力成比例的電壓非常?。◣缀练ㄗh使用16x PGA。在進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)榉Q重傳感器的結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)取決于其安裝結(jié)構(gòu)。校準(zhǔn)過程包括兩個(gè)步驟：零負(fù)載時(shí)的偏移重置和已知重量物體的校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算。操作方式與前面類似，執(zhí)行單轉(zhuǎn)換或連續(xù)轉(zhuǎn)換，并查看結(jié)果，連續(xù)模式下也不能設(shè)置過慢的速率。

九、總結(jié)

NAFExx388評估板為工業(yè)級多通道模擬輸入AFE的測試和設(shè)計(jì)提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、使用方便的平臺。通過豐富的硬件資源、友好的GUI界面以及多樣化的測試和應(yīng)用功能，工程師可以快速驗(yàn)證和開發(fā)基于這些AFE的應(yīng)用系統(tǒng)。在實(shí)際使用過程中，需要嚴(yán)格遵循其使用說明和注意事項(xiàng)，以確保獲得準(zhǔn)確、可靠的測量和應(yīng)用效果。同時(shí)，也要注意相關(guān)的法律信息和風(fēng)險(xiǎn)，避免不必要的問題。希望各位電子工程師在使用該評估板的過程中能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，開發(fā)出更優(yōu)秀的工業(yè)電子應(yīng)用產(chǎn)品。你在使用類似評估板的過程中遇到過哪些有趣的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。