Прецизионная адаптивная система сбора аналоговых данных с интерфейсом USB. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2012

Конфигурируемые аналоговые порты позволяют подключать к микроконтроллеру различные типы датчиков посредством трехконтактных разъемов, каждый из которых имеет «землю». На один из разъемов выводится питание 3.3 В, на другой – опорное напряжение, номинальное значение которого равно 2.5 В (см. функциональную схему на Рисунке 4. Центральные выводы двух разъемов X₁ и X₂ подключены к мультиплексору аналоговых входов микроконтроллера. При таком решении мы можем измерять два несимметричных напряжения или же использовать эти разъемы для измерений дифференциального сигнала. Оба входа имеют индивидуальные подтягивающие резисторы R₁₀, R₁₁, R₁₄ и R₁₅.


Рисунок 4.	Вы можете создать два конфигурируемых аналоговых порта, которые позволят подключать к ним множество типов датчиков.

В соответствии с функциональной схемой, аналоговый порт будет иметь вид, изображенный на Рисунке 5. Операционный усилитель IC₄ OPA350UA играет роль буфера опорного напряжения.


Рисунок 5.	Буфер опорного напряжения микроконтроллера на операционном усилителе и ключи для конфигурирования аналоговых портов.

Такая архитектура входных аналоговых портов позволяет подключать множество типов датчиков. Например, вы сможете подключить термистор или фоторезистор между «землей» и входом, включив подтягивающий резистор, чтобы получить, делитель напряжения. АЦП микроконтроллера преобразует выходное напряжение этого делителя в цифровое значение (Рисунок 6a).


Рисунок 6.	Входные аналоговые порты могут быть сконфигурированы для работы с резистивными датчиками (а) и датчиками с токовым выходом (б).

Такое решение также позволяет проводить измерения соотношений, т.к. АЦП и делитель напряжения используют одно опорное напряжение. Датчики с токовым выходом также можно подключать к аналоговому порту, аналогично тому, как подключается фотодиод – непосредственно между «землей» и входом АЦП, включив резистор, подтягивающий потенциал к «земле» (Рисунок 6б).

АЦП с высоким разрешением и усилителем с программируемым коэффициентом усиления позволяет подключать термопарами непосредственно ко входу (Рисунок 7). Необходимое смещение достигается включением двух подтягивающих резисторов на один канал. Также непосредственно к аналоговым портам можно подключать датчики на основе резистивных мостов, например тензодатчики и датчики давления. При подключении таковых необходимо отключить все подтягивающие резисторы, а АЦП перевести в режим дифференциальных измерений. При отключенных подтягивающих резисторах возможно также подключение к аналоговым портам потенциометров и датчиков Холла, например SS49E.


Рисунок 7.	Входные аналоговые порты могут быть сконфигурированы для работы с резистивными датчиками (а) и датчиками с токовым выходом (б).

При непосредственном подключении различных датчиков к входным аналоговым портам необходимо принимать во внимание их импеданс и диапазон сигналов. В некоторых случаях потребуется применение схем фильтрации и шумоподавления. Возможно, придется добавлять внешние буферные усилители или более точный источник опорного напряжения. Наличие опорного напряжения и питания 3.3 В на аналоговых портах позволяют это реализовать. Для подачи на датчики произвольных напряжений можно использовать выходы ЦАП микроконтроллера, сигналы которого выведены на разъем J₁ (Часть 1, Рисунок 2).

Двухсторонняя печатная плата для рассмотренного адаптера выполнена достаточно компактной. На нижней стороне платы расположено несколько пассивных компонентов (Рисунок 8).


Рисунок 8.	*Вся конструкция получается достаточно компактной – модуль размещается в корпусе 60 × 35 мм.*

Программа микроконтроллера создана в интегрированной среде разработки Silicon Labs IDE с использованием компилятора CDCC. Программное обеспечение для ПК написано в среде LabVIEW – это среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments. LabVIEW используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами.

Загрузки

Принципиальная схема, печатная плата (Eagle) и CAM-файлы (drill, Gerber) – скачать
Программное обеспечение для микроконтроллера (исходный код, hex-файл, конфигурационный файл) – скачать
Программное обеспечение для ПК (установщик USB драйвера, пример и библиотека для LabVIEW) – скачать

Дополнительные материалы:

Сигма-дельта АЦП микроконтроллера C8051F35x. Руководство пользователя, Silicon Laboratories (англ.)
Нормирование сигналов для АЦП высокого разрешения, Analog Devices (англ.)