Программно-аппаратный комплект на основе микроконтроллера 1921ВК035 и 16-разрядных ЦАП производства АО «НИИЭТ»

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.

Рис. 1. Сигналы последовательного интерфейса микросхемы 1273НА015
рная схема микроконтроллера 1921ВК035

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.

Рис. 2. Сигналы последовательного интерфейса микросхемы 1273НА025

Рис. 3. Сигналы последовательного интерфейса микросхемы 1273НА03А4

Для управления ЦАП и связи с ПК был выбран 32‑разрядный микроконтроллер 1921ВК035. Структурная схема микроконтроллера представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема микроконтроллера 1921ВК035

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.

Рис. 5. Демонстрационная плата 1273НА015/1273НА025

Рис. 6. Демонстрационная плата 1273НА03А4

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.

Рис. 7. Макетно­отладочная плата микроконтроллера 1921ВК035 в миниатюрном исполнении

Рис. 8. Макетно­отладочная плата микроконтроллера 1921ВК035 в полноразмерном исполнении

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.

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

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).

Рис. 10. Окно «Помощь»

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.

Рис. 11. Макетно­отладочный комплект в работе

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.