NAFExx388評估板：工業級多通道模擬輸入AFE的全面解析

在工業電子設計的領域中，高精度的模擬輸入采集與處理是許多應用場景的核心需求。NXP的NAFExx388評估板為我們提供了一個便捷且強大的解決方案，能夠滿足工業過程控制系統等對高精度測量的嚴格要求。今天，我們就來深入了解一下這個評估板。

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級多通道模擬輸入模擬前端（AFE）設計的測試平臺。這些AFE器件由低泄漏、高壓多路復用器、低失調漂移緩沖器、低噪聲和漂移的可編程增益放大器（PGA）、精密的24位Σ - Δ模數轉換器（ADC）以及低漂移電壓基準組成，能夠很好地滿足高精度測量的需求。

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

此外，評估板配備了圖形界面，方便用戶輕松探索驅動程序的不同功能。芯片通過行業標準的SPI總線端口與主機通信，評估軟件可在Microsoft Windows 7、8和10 PC平臺上運行。

二、資源獲取

NXP Semiconductors在其官方網站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、參數信息、訂購信息以及“入門指南”選項卡。“入門指南”選項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、使用前準備

（一）套件內容

• 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機箱或其他接地源。

（四）最低系統要求

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

（五）電源要求

對于NAFExx388的設置，將PC連接到三個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強烈建議不要為NAFE11388 - EVB使用24V輸入，因為這會導致該板不符合FCC和歐盟輻射發射要求。如果最終用戶使用24V輸入為NAFE11388 - EVB板供電，則需承擔全部責任。

四、硬件認識

（一）板載主要組件

設備	描述	位置
NAFExx388	八輸入SW可配置AI - AFE	U1
MAX13256ATB	變壓器驅動器	U4
TGMR - 511V6LF	變壓器	U5
Si8641BC - B - IS1	四通道數字隔離器	U7
Si8642BC - B - IS1	四通道數字隔離器	U8
MAX14761ETB	模擬開關	U14
CMXDM7002A	N溝道MOSFET	U16
LP2950ACDT - 3P3RG	+3.3V LDO	U17

（二）套件特色組件

• 一個完整的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），以實現便攜性和演示目的
• 設有方便的測試點，便于進行示波器測量和信號訪問
• 具備與主機PC連接的USB接口

（三）跳線設置

評估板提供了針對外部電源供應和AC - DC適配器/變壓器電源供應的不同跳線設置，具體如下：

1. 外部電源供應跳線設置（+3.75V，+15.4V， - 15.4V）

設置	跳線	注釋
EXT3V3	J78A pin1 - J78A pin2	外部+3.3V電源選擇
EXT - 15V0	J78B pin 1 - J78B pin2	外部 - 15V電源選擇
EXT15V0	J78C pin 3 - J78C pin2	外部+15V電源選擇

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

設置	跳線	注釋
3V3_LDO	J78B pin2 - J78Cpin3	AC - DC適配器/變壓器+3.3V電源選擇
TX - 15V0	J78B pin2 - J78Cpin3	AC - DC適配器/變壓器 - 15V電源選擇
TX15V0	J78B pin2 - J78Cpin3	AC - DC適配器/變壓器+15V電源選擇

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。

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

右鍵單擊可執行文件（SetupNAFExx388_x.x.x），以管理員身份運行，然后按照提示安裝應用程序。安裝完成后，點擊Windows左下角的“開始”按鈕，找到NAFExx388_EVB GUI應用程序。

（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，點擊“確定”更新MCU板中的固件，然后按下SW1（復位按鈕）重置MCU板。

（三）連接檢查

點擊NAFExx388_EVB GUI應用程序打開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提示。“斷開連接”標簽表示MCU板和PC之間未建立連接。當通過USB連接后，MCU會發出部件讀取命令，相應地更新部件標簽和類型（低功耗或高速）。成功連接到MCU板后，GUI會更新為“已連接”標簽，并且會識別部件編號并相應地更新自身。

（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的相應下拉菜單配置數據速率、SINC濾波器階數和建立模式。

3. 轉換模式

該設備支持五種類型的讀取（轉換）模式：

• 單通道單讀取（CMD_SS）
• 單通道連續讀取（CMD_SC）
• 多通道單讀取（CMD_MS，未來版本可用）
• 多通道多讀取（CMD_MM）
• 多通道連續讀取（CMD_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，然后點擊“單讀取”按鈕，在“讀取結果”框中讀取輸入電壓。
• 單通道連續讀取：在框中輸入所需的樣本數，點擊“連續讀取”按鈕。點擊后會彈出一個對話框，選擇一個文件夾以在硬盤上創建一個包含所需樣本數的.csv轉換結果文件。
• 多通道多讀取：使用AFE配置下拉菜單預先配置要排序的適當通道，并在GUI右下角的“多通道”部分相應地啟用這些通道編號，然后點擊“多讀取”按鈕，在“讀取結果”多框中讀取輸入電壓。
• 多通道連續讀取：類似多通道多讀取的步驟預先配置通道，點擊“連續讀取”按鈕，等待對話框選擇文件夾以在硬盤上創建一個包含所需樣本數的.csv轉換結果文件。

4. 數據速率選擇

AI - AFE提供了靈活的ADC配置，允許用戶配置建立模式、數字SINC濾波器和數據速率。數據速率輸出是建立模式、數字SINC濾波器和數據速率組合的函數。配置AI - AFE的簡單方法是：先選擇建立模式（正常或單周期），再選擇數字SINC濾波器，最后選擇數據速率。

5. 系統和GPIOs配置

可以通過“系統/GPIO”視圖管理ADC系統的一些設置，如參考選擇（REF_BYP和REFPADC）、ADC數據位數（24或16位）、時鐘選擇（內部、外部或晶體）以及數據就緒信號行為。NAFE有十個GPIO，可通過GUI在輸出和輸入模式下進行管理。

6. DMM視圖

“DMM”選項卡是一個簡單的界面，用于查看以時間為函數采集的數據（連續模式）。

7. 寄存器讀取選項卡

在“寄存器讀取”選項卡中，可以讀取設備的一些寄存器、系統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. 校準選項卡

按照“校準”選項卡中的說明對設備進行校準，所選的增益/偏移寄存器將根據該過程進行寫入和更新。

七、應用測試案例

（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設置模式、ADC數據速率、通道程序延遲和校準系數設置。
4. 點擊“單讀取”按鈕，在“讀取結果”框中讀取單通道電壓值。

（二）單通道連續讀取（SCCR）示例

1. 按照單通道讀取的步驟1 - 3進行操作。
2. 在“樣本數”框中輸入數字。
3. 點擊“連續讀取”按鈕，以讀取單通道的多個電壓值，并將數據導出為.csv文件。
4. 打開.csv文件查看電壓值數量。

（三）多通道讀取（MCR）示例

1. 通過點擊“啟用”復選框選擇多個通道。
2. 在AFE配置下拉菜單中逐個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. 為每個通道配置在下拉菜單中選擇PGA、SINC濾波器、ADC設置模式、ADC數據速率、通道程序延遲和校準系數設置。
5. 點擊“多讀取”按鈕，在“讀取結果”框中讀取多個通道的電壓值。

（四）多通道連續讀取（MCCR）示例

1. 按照多通道讀取的步驟1 - 3進行操作。
2. 在“循環數”框中輸入數字。
3. 點擊“連續讀取”按鈕，以讀取多個通道的電壓值，并將數據導出為.csv文件。
4. 打開.csv文件查看電壓值數量。

（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，用戶可以將當前的AFE通道#0 - 16配置、GPIO配置、SCCR樣本數、MCCR啟用通道和MCCR循環數保存為.acs（AFE配置設置）文件。之后可以加載之前保存的.acs配置文件，將所有配置設置加載到GUI中，而無需在GUI中逐個手動更改每個設置。

（六）快速傅里葉變換（FFT）頻譜分析

要進行準確的頻譜分析，源發生器的頻率和AI - AFE時鐘必須保持相干。需要滿足兩個條件：源發生器和AI - AFE時鐘應同步；輸入頻率、數據速率輸出和樣本計數應選擇為產生整數個正弦波周期。如果不滿足這些條件，可能會發生FFT頻譜泄漏，導致測量不準確。為了表征AC性能，需要高質量的源，否則性能可能會受到源性能的限制。

（七）單通道連續讀取（SCCR）使用SPI命令與SYNC引腳對比

1. 使用SPI命令

在GUI中設置為單周期模式，ADC數據速率為12 ksps，PD = 6.9μs，點擊“連續讀取”按鈕。通過邏輯分析儀捕獲的波形可以看到，SPI命令時鐘的最后一個下降沿相對于DRDYB信號的下降沿，即ADC讀取時間。

2. 使用SYNC引腳

在GUI中設置為單周期模式，ADC數據速率為12 ksps，PD = 6.9μs，選擇“使用SYNC引腳觸發新轉換”復選框，然后點擊“連續讀取”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，設置GPO狀態單元，然后觀察LED狀態的相應變化。

2. 輸入

將GPIO9短接到GPIO6，將GPIO6設置為輸入，GPIO9設置為輸出。將GPIO9設置為高電平，點擊“讀取”按鈕；再將GPIO9設置為低電平，點擊“讀取”按鈕，觀察相應的輸入狀態變化。

八、應用演示

在GUI中，可以嘗試NAFE的三個典型應用：

（一）板載RTD溫度測量

評估套件具有由兩個電阻和一個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/正常周期和數據速率。按下“開始單轉換”下方的“播放”按鈕將執行單轉換，會顯示兩個結果：原始電壓結果和溫度轉換結果。在選項卡底部有一個圖表和兩個按鈕：“播放”和“停止”。按下“播放”按鈕將執行連續轉換，直到按下“停止”按鈕。連續轉換每次配置為進行100個樣本，這些樣本將繪制在圖表上。需要注意的是，在連續模式下不能設置過慢的速率，否則會出現警告消息。

（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，從而消除因電流導致的電壓降。在該部分可以配置Sinc濾波器、單/正常周期、數據速率、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，執行單轉換或連續轉換，并查看相應結果。同樣，連續模式下不能設置過慢的速率。

（三）稱重傳感器重量測量

以應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、數據速率、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小（幾毫伏），建議使用16x PGA。在進行這種轉換之前需要進行校準，因為稱重傳感器的結構傳遞函數取決于其安裝結構。校準過程包括兩個步驟：零負載時的偏移重置和已知重量物體的校準系數計算。操作方式與前面類似，執行單轉換或連續轉換，并查看結果，連續模式下也不能設置過慢的速率。

九、總結

NAFExx388評估板為工業級多通道模擬輸入AFE的測試和設計提供了一個功能強大、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用功能，工程師可以快速驗證和開發基于這些AFE的應用系統。在實際使用過程中，需要嚴格遵循其使用說明和注意事項，以確保獲得準確、可靠的測量和應用效果。同時，也要注意相關的法律信息和風險，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揮其優勢，開發出更優秀的工業電子應用產品。你在使用類似評估板的過程中遇到過哪些有趣的問題呢？歡迎在評論區分享交流。