Станислав Калиниченко
Александр Дыхно
Илья Суров
В статье представлен комплект программноаппаратных средств для макетирования и отладки систем управления и генерирования сигналов произвольной формы с помощью прецизионных ЦАП. Комплект содержит макетноотладочную плату микроконтроллера 1921ВК035 и демонстрационную плату с микросхемой ЦАП, управление осуществляется с помощью приложения на ПК. Программная часть с интерактивным интерфейсом позволяет задавать режимы работы ЦАП и формировать поток данных. Мощная периферия и большое число портов ввода/вывода микроконтроллера значительно расширяют функциональные возможности данного комплекта.
Введение
В начале 2020 года Научноисследовательский институт электронной техники (г. Воронеж) выпустил серию однокристальных 16‑разрядных ЦАП с последовательным интерфейсом, в которую входят три микросхемы: одноканальный ЦАП с буферизированным выходом по напряжению 1273НА015, одноканальный ЦАП с небуферизированным выходом по напряжению 1273НА025 и двухканальный ЦАП с небуферизированным выходом по току 1273НА03А4. Новые ЦАП предназначены для применения в высокоточных системах управления, автоматическом тестовом оборудовании, контрольноизмерительной аппаратуре. Ранее в статье [1] мы подробно рассмотрели функциональные возможности микросхемы 1273НА03А4 и показали пример конфигурации демонстрационной платы в режим умножения сигналов с помощью ЦАП.
Основные характеристики и особенности новых микросхем представлены в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОСХЕМ ЦАП
Все микросхемы ЦАП имеют последовательный интерфейс, совместимый со стандартом SPI, что позволяет использовать аппаратный SPI микроконтроллера 1921ВК035 для передачи данных. Временные диаграммы сигналов последовательных интерфейсов для микросхем 1273НА015, 1273НА025 и 1273НА03А4 представлены на рис. 1–3 соответственно.
Для управления ЦАП и связи с ПК был выбран 32‑разрядный микроконтроллер 1921ВК035. Структурная схема микроконтроллера представлена на рис. 4.
Этот микроконтроллер включает следующие функциональные блоки:
- 32‑разрядное ЦПУ с поддержкой набора одноцикловых команд умножения с накоплением, команд централизованного управления потоком данных, арифметических и логических команд, встроенным модулем обработки команд с плавающей запятой с одинарной точностью FPU, поддержкой отладочных интерфейсов JTAG и SWD и модулем защиты памяти MPU;
- блок управления сбросом и синхронизацией RCU, имеющий в своем составе RCгенератор (8 МГц), синтезатор частоты PLL и блок управления системными тактовыми сигналами SCM;
- блок управления системой SIU;
- блок коммутации AMBA AHB;
- основная Flashпамять объемом 64 кбайт;
- загрузочная Flashпамять емкостью 4 кбайт;
- кэш команд и данных объемом 1 кбайт каждый;
- ОЗУ объемом 16 кбайт;
- 16‑канальный контроллер прямого доступа к памяти DMA;
- блок управления энергопотреблением PMU, позволяющий переводить системные блоки в режим Powerdown;
- два контроллера портов A и B, управляющих 16‑разрядными портами ввода/вывода;
- 4‑канальный 12‑разрядный АЦП с режимами цифрового компаратора для каждого из каналов и функцией автоматического запуска модулей ШИМ по событию «окончание преобразования»;
- три 2‑канальных блока ШИМ PWM0–PWM2;
- импульсный квадратурный декодер QEP для обработки сигналов датчиков положения ротора, позволяющий определить положение, направление и скорость вращения;
- три блока захвата ECAP0–ECAP2;
- четыре 32‑разрядных таймера TMR0–TMR3;
- сторожевой таймер WDT;
- два приемопередатчика UART0, UART1;
- контроллер CAN (протокол 2.0b);
- контроллер I2C;
- контроллер SPI.
Микроконтроллер 1921ВК035 предназначен для применения в промышленных и потребительских приложениях, таких как системы дистанционного мониторинга, контрольноизмерительные приборы, сетевые устройства, системы автоматизации производственных процессов, автомобильная электроника, авиационная электроника, системы управления электродвигателями.
В тех случаях, когда точности и быстродействия ШИМгенератора недостаточно для формирования аналоговых сигналов, возникает необходимость использования внешних прецизионных ЦАП, которые были рассмотрены выше.
Демонстрационные платы в составе макетноотладочного комплекта
Аппаратная часть состоит из одной демонстрационной платы с микросхемой ЦАП и отладочной платы микроконтроллера. На демонстрационных платах ЦАП установлены стабилизаторы напряжения питания, источники опорного напряжения и операционные усилители, подключенные по типовой схеме для каждого ЦАП. Также пользователь может подать опорное напряжение от внешнего источника. В таблице 2 представлены основные характеристики демонстрационных плат ЦАП.
Для микроконтроллера 1921ВК035 были разработаны две макетноотладочные платы: в миниатюрном исполнении с применением технологии COB (Chip On Board) и в полноразмерном исполнении с контактным устройством. В таблице 3 представлены основные характеристики этих отладочных плат.
Описание программной части
Для интерактивного взаимодействия с микросхемами ЦАП разработано приложение с графическим интерфейсом пользователя, позволяющее формировать последовательности сигналов различной формы и управлять режимами работы ЦАП. Программа передает данные в буфер микроконтроллера через COMпорт, а микроконтроллер формирует сигналы последовательного интерфейса и циклично воспроизводит данные из буфера. На рис. 9 представлено главное окно программы для управления ЦАП.
1 — меню создания подключения;
2 — меню настройки параметров сигнала;
3 — меню «Помощь»;
4 — меню настроек интерфейса и выбора микросхемы ЦАП;
5 — параметры сигналов;
6 — поле выбора режима работы ЦАП;
7 — графическое представление сигналов;
8 — поле статуса подключения по COMпорту
Перед началом работы с комплектом плат микроконтроллера и ЦАП необходимо подключить последовательный интерфейс микроконтроллера и платы ЦАП. Во вкладке «Помощь» есть памятка с вариантами соединения плат микроконтроллеров с платами ЦАП (рис. 10).
После подключения отладочных плат и подачи питания на платы нужно выбрать COMпорт ПК в меню «Настройки подключения» и установить связь с платой микроконтроллера с помощью команды «ФайлПодключить». С помощью селектора «Частота SPI» можно задать частоту тактового сигнала интерфейса SPI микроконтроллера. Частота генерируемого сигнала заданной формы зависит от тактовой частоты интерфейса, поэтому для получения более высокой частоты полезного сигнала нужно увеличивать тактовую частоту интерфейса. Чтобы ознакомиться с функциями программы без физического подключения отладочной платы микроконтроллера к ПК, можно войти в демонстрационный режим с помощью команды «Файл Деморежим».
В меню «Тестовые сигналы» можно выбрать форму сигнала: синус, меандр, пила, треугольник и строка пользователя. Далее требуется задать число точек в одном периоде сигнала, а также минимум и максимум диапазона кодов. Максимальное число отсчетов последовательности составляет 2048. После настройки сигналов программа формирует массив отсчетов и, при нажатии на кнопку «Загрузить сигналы в буфер», передает его через COMпорт на плату микроконтроллера. Принятый массив данных начнет воспроизводиться сразу после окончания загрузки. Кнопка «Остановить» позволяет прервать воспроизведение сигнала и, если требуется, загрузить новые сигналы в буфер микроконтроллера.
В поле «Управление ЦАП» находятся настройки режима работы ЦАП. Каждая микросхема имеет свой набор опций. Для двухканального ЦАП 1273НА03А4 можно установить параллельный режим работы каналов, в котором на оба канала ЦАП передаются одинаковые данные за одну последовательную посылку. С помощью кнопки Reset можно управлять сигналом сброса микросхемы, а флаг MSB использовать для установки выходного уровня в нулевую точку шкалы (флаг снят) или в среднюю точку шкалы (флаг установлен) при сбросе.
Для микросхемы 1273НА015 предусмотрена опция выбора состояния выходного буфера.
На рис. 11 представлен в работе комплект, собранный из платы ЦАП 1273НА025 и платы микроконтроллера К1921ВК035 в миниатюрном исполнении.
Все функции микроконтроллера, связанные с управлением ЦАП, были объединены в одной библиотеке, чтобы разработчики могли использовать ее в своих проектах. Данная библиотека, а также программа для ПК, код программы для микроконтроллеров К1921ВК01Т и К1921ВК035 доступны по ссылке [2].
Заключение
Рассмотренные комплекты отладочных средств позволяют макетировать устройства на основе связки ПКмикроконтроллерЦАП. Номенклатура поддерживаемых устройств будет постепенно расширяться за счет новых разработок, а программные средства будут ориентированы на решение более узкоспециализированных задач. В данный момент АО «НИИЭТ» активно развивает серию 14/16‑разрядных умножающих ЦАП. В разработке находятся микросхемы с параллельным и последовательным интерфейсом и числом каналов 1–4.
Литература
1. Калиниченко С., Суров И., Борисов Ю. Двухканальный 16‑разрядный умножающий ЦАП с токовым выходом и последовательным интерфейсом 1273НА03А4 // Компоненты и технологии. 2019. № 4.
2. www.bitbucket.org/niietcm4/k1921vkx_dac1273
Рис. 1. Сигналы последовательного интерфейса микросхемы 1273НА015
Рис. 2. Сигналы последовательного интерфейса микросхемы 1273НА025
Рис. 3. Сигналы последовательного интерфейса микросхемы 1273НА03А4
Рис. 4. Структурная схема микроконтроллера 1921ВК035
Рис. 5. Демонстрационная плата 1273НА015/1273НА025
Рис. 6. Демонстрационная плата 1273НА03А4
Рис. 7. Макетноотладочная плата микроконтроллера 1921ВК035 в миниатюрном исполнении
Рис. 8. Макетноотладочная плата микроконтроллера 1921ВК035 в полноразмерном исполнении
Рис. 9. Главное окно программы: 1 — меню создания подключения; 2 — меню настройки параметров сигнала; 3 — меню «Помощь»; 4 — меню настроек интерфейса и выбора микросхемы ЦАП; 5 — параметры сигналов; 6 — поле выбора режима работы ЦАП; 7 — графическое представление сигналов; 8 — поле статуса подключения по COMпорту
Рис. 10. Окно «Помощь»
Рис. 11. Макетноотладочный комплект в работе
Статья опубликована в журнале “Компоненты и технологии”.
Ссылка на статью: https://kit-e.ru/micro/design-on-mcu/1921vk035/