NAFExx388评估板：工业级多通道模拟输入AFE的全面解析

在工业电子设计的领域中，高精度的模拟输入采集与处理是许多应用场景的核心需求。NXP的NAFExx388评估板为我们提供了一个便捷且强大的解决方案，能够满足工业过程控制系统等对高精度测量的严格要求。今天，我们就来深入了解一下这个评估板。

文件下载：NXP Semiconductors NAFEx88-EVB 评估板.pdf

一、评估板简介

NAFExx388评估板是针对NAFE11388、NAFE71388、NAFE13388和NAFE73388这些高度可配置的工业级多通道模拟输入模拟前端（AFE）设计的测试平台。这些AFE器件由低泄漏、高压多路复用器、低失调漂移缓冲器、低噪声和漂移的可编程增益放大器（PGA）、精密的24位Σ - Δ模数转换器（ADC）以及低漂移电压基准组成，能够很好地满足高精度测量的需求。

同时，该系列AFE还集成了用于电磁兼容性（EMC）和错误接线场景的输入保护电路，以及用于输入、开路和短路以及阻抗检测的诊断电路。先进的诊断电路可实现通道环回读取，还有输出电压或电流偏置电路。两个精确的参考电压源支持端到端系统自校准和高级异常检测，为预测性维护提供了有力支持。

此外，评估板配备了图形界面，方便用户轻松探索驱动程序的不同功能。芯片通过行业标准的SPI总线端口与主机通信，评估软件可在Microsoft Windows 7、8和10 PC平台上运行。

二、资源获取

NXP Semiconductors在其官方网站http://www.nxp.com上为该评估板及其支持的器件提供了丰富的在线资源。评估板的信息页面为http://www.nxp.com/NAFExx388 - EVB，该页面提供了概述信息、文档、软件和工具、参数信息、订购信息以及“入门指南”选项卡。“入门指南”选项卡提供了适用于使用该评估板的快速参考信息，包括本文档中引用的可下载资源。

三、使用前准备

（一）套件内容

• 装在防静电袋中的已组装和测试的NAFExx388 - EVB评估板
• USB 2.0电缆
• 备用跳线
• OM13098（LPC54628）MCU评估板

（二）前提条件

虽然熟悉SPI总线会有所帮助，但并非必需条件。

（三）静电处理要求

该器件对静电放电（ESD）敏感，因此在运输和处理过程中需要格外小心。在拆包或处理硬件之前，必须使用接地带或触摸PC机箱或其他接地源。

（四）最低系统要求

• PC奔腾处理器（或等效处理器）
• 一个USB端口（3.0或2.0兼容）
• Windows 7、8、10操作系统
• OM13098（LPC54628）MCU评估板（可从www.nxp.com获取）

（五）电源要求

对于NAFExx388的设置，将PC连接到三个USB端口（J1、J2和J3）中的J2端口，为OM13098 MCU评估板供电。需要注意的是，NXP强烈建议不要为NAFE11388 - EVB使用24V输入，因为这会导致该板不符合FCC和欧盟辐射发射要求。如果最终用户使用24V输入为NAFE11388 - EVB板供电，则需承担全部责任。

四、硬件认识

（一）板载主要组件

设备	描述	位置
NAFExx388	八输入SW可配置AI - AFE	U1
MAX13256ATB	变压器驱动器	U4
TGMR - 511V6LF	变压器	U5
Si8641BC - B - IS1	四通道数字隔离器	U7
Si8642BC - B - IS1	四通道数字隔离器	U8
MAX14761ETB	模拟开关	U14
CMXDM7002A	N沟道MOSFET	U16
LP2950ACDT - 3P3RG	+3.3V LDO	U17

（二）套件特色组件

• 一个完整的NAFExx388评估平台
• 八输入SW可配置AI - AFE
• 基于易于使用的GUI的软件，可展示AI - AFE系列的代表性产品NAFE11388和NAFE13388的功能，具体取决于板上安装的部件
• 可使用外部电源为NAFExx388评估板供电
• 也可以使用板载变压器为NAFExx388提供DC - DC电源（+3.3V，±15V），以实现便携性和演示目的
• 设有方便的测试点，便于进行示波器测量和信号访问
• 具备与主机PC连接的USB接口

（三）跳线设置

评估板提供了针对外部电源供应和AC - DC适配器/变压器电源供应的不同跳线设置，具体如下：

1. 外部电源供应跳线设置（+3.75V，+15.4V， - 15.4V）

设置	跳线	注释
EXT3V3	J78A pin1 - J78A pin2	外部+3.3V电源选择
EXT - 15V0	J78B pin 1 - J78B pin2	外部 - 15V电源选择
EXT15V0	J78C pin 3 - J78C pin2	外部+15V电源选择

2. AC - DC适配器/变压器电源供应跳线设置（+3.75V，+15.4V， - 15.4V）

设置	跳线	注释
3V3_LDO	J78B pin2 - J78Cpin3	AC - DC适配器/变压器+3.3V电源选择
TX - 15V0	J78B pin2 - J78Cpin3	AC - DC适配器/变压器 - 15V电源选择
TX15V0	J78B pin2 - J78Cpin3	AC - DC适配器/变压器+15V电源选择

需要注意的是，在连接AC - DC适配器之前，请确保J88处于开路状态。

五、硬件配置

（一）连接步骤

1. 使用Arduino连接器将NAFExx388（AFE）评估板牢固地连接到LPC54628（微控制器）评估板。
2. 将NAFExx388（AFE）评估板底部的J15、J18、J19和J22公连接器滑入LPC54628（微控制器）评估板上相应的母连接器中。
3. 在J9上施加AVDD/DVDD = 3.75V，在J10上施加HVDD = +15.4V，在J11香蕉插孔连接器上施加HVSS = - 15.4V，然后打开电源。由于用于反极性保护的肖特基二极管上的电压降以及由于电源电流流入器件引脚而在5Ω电阻上的电压降，J9、J10和J11上大约需要额外的0.4V电源。
4. 使用USB转uUSB电缆将PC（USB）连接到LPC54628EVAL（uUSB）。

六、工具接口使用

（一）GUI安装

右键单击可执行文件（SetupNAFExx388_x.x.x），以管理员身份运行，然后按照提示安装应用程序。安装完成后，点击Windows左下角的“开始”按钮，找到NAFExx388_EVB GUI应用程序。

（二）MCU（OM13098）板固件更新

如果GUI检测到MCU板中的固件较旧，会显示“MCU固件更新所需”的消息。此时，点击“确定”更新MCU板中的固件，然后按下SW1（复位按钮）重置MCU板。

（三）连接检查

点击NAFExx388_EVB GUI应用程序打开GUI。如果与MCU或评估板没有连接，GUI左上角的消息会显示相应提示。“断开连接”标签表示MCU板和PC之间未建立连接。当通过USB连接后，MCU会发出部件读取命令，相应地更新部件标签和类型（低功耗或高速）。成功连接到MCU板后，GUI会更新为“已连接”标签，并且会识别部件编号并相应地更新自身。

（四）工具使用

1. 原理图快捷方式

可以通过GUI的菜单栏“帮助” -> “EVKit原理图”直接打开评估套件的原理图。

2. 通道配置

通过可编程增益放大器（PGA）的下拉菜单选择通道增益，通过ADC的相应下拉菜单配置数据速率、SINC滤波器阶数和建立模式。

3. 转换模式

该设备支持五种类型的读取（转换）模式：

• 单通道单读取（CMD_SS）
• 单通道连续读取（CMD_SC）
• 多通道单读取（CMD_MS，未来版本可用）
• 多通道多读取（CMD_MM）
• 多通道连续读取（CMD_MC）

具体操作方式如下：

• 单通道单读取：从MUX下拉菜单中选择要测试的输入，然后点击“单读取”按钮，在“读取结果”框中读取输入电压。
• 单通道连续读取：在框中输入所需的样本数，点击“连续读取”按钮。点击后会弹出一个对话框，选择一个文件夹以在硬盘上创建一个包含所需样本数的.csv转换结果文件。
• 多通道多读取：使用AFE配置下拉菜单预先配置要排序的适当通道，并在GUI右下角的“多通道”部分相应地启用这些通道编号，然后点击“多读取”按钮，在“读取结果”多框中读取输入电压。
• 多通道连续读取：类似多通道多读取的步骤预先配置通道，点击“连续读取”按钮，等待对话框选择文件夹以在硬盘上创建一个包含所需样本数的.csv转换结果文件。

4. 数据速率选择

AI - AFE提供了灵活的ADC配置，允许用户配置建立模式、数字SINC滤波器和数据速率。数据速率输出是建立模式、数字SINC滤波器和数据速率组合的函数。配置AI - AFE的简单方法是：先选择建立模式（正常或单周期），再选择数字SINC滤波器，最后选择数据速率。

5. 系统和GPIOs配置

可以通过“系统/GPIO”视图管理ADC系统的一些设置，如参考选择（REF_BYP和REFPADC）、ADC数据位数（24或16位）、时钟选择（内部、外部或晶体）以及数据就绪信号行为。NAFE有十个GPIO，可通过GUI在输出和输入模式下进行管理。

6. DMM视图

“DMM”选项卡是一个简单的界面，用于查看以时间为函数采集的数据（连续模式）。

7. 寄存器读取选项卡

在“寄存器读取”选项卡中，可以读取设备的一些寄存器、系统寄存器和基于通道的寄存器。如果需要基于通道的寄存器，可在通道选择器中选择所需的寄存器。

8. 校准选项卡

按照“校准”选项卡中的说明对设备进行校准，所选的增益/偏移寄存器将根据该过程进行写入和更新。

七、应用测试案例

（一）单通道读取（SCR）示例

1. 在AFE配置下拉菜单中选择用于读取电压的通道配置（通道#0 - #16配置）。
2. 从MUX下拉菜单中选择输入通道（HV_INP，HV_INV）。
3. 在下拉菜单中选择PGA、SINC滤波器、ADC设置模式、ADC数据速率、通道程序延迟和校准系数设置。
4. 点击“单读取”按钮，在“读取结果”框中读取单通道电压值。

（二）单通道连续读取（SCCR）示例

1. 按照单通道读取的步骤1 - 3进行操作。
2. 在“样本数”框中输入数字。
3. 点击“连续读取”按钮，以读取单通道的多个电压值，并将数据导出为.csv文件。
4. 打开.csv文件查看电压值数量。

（三）多通道读取（MCR）示例

1. 通过点击“启用”复选框选择多个通道。
2. 在AFE配置下拉菜单中逐个选择启用的通道配置（通道#0 - #16配置）。
3. 从MUX下拉菜单中选择输入通道（HV_INP，HV_INV）。
4. 为每个通道配置在下拉菜单中选择PGA、SINC滤波器、ADC设置模式、ADC数据速率、通道程序延迟和校准系数设置。
5. 点击“多读取”按钮，在“读取结果”框中读取多个通道的电压值。

（四）多通道连续读取（MCCR）示例

1. 按照多通道读取的步骤1 - 3进行操作。
2. 在“循环数”框中输入数字。
3. 点击“连续读取”按钮，以读取多个通道的电压值，并将数据导出为.csv文件。
4. 打开.csv文件查看电压值数量。

（五）保存和加载配置文件

NAFExx388 GUI提供了方便的保存和加载配置文件功能，用户可以将当前的AFE通道#0 - 16配置、GPIO配置、SCCR样本数、MCCR启用通道和MCCR循环数保存为.acs（AFE配置设置）文件。之后可以加载之前保存的.acs配置文件，将所有配置设置加载到GUI中，而无需在GUI中逐个手动更改每个设置。

（六）快速傅里叶变换（FFT）频谱分析

要进行准确的频谱分析，源发生器的频率和AI - AFE时钟必须保持相干。需要满足两个条件：源发生器和AI - AFE时钟应同步；输入频率、数据速率输出和样本计数应选择为产生整数个正弦波周期。如果不满足这些条件，可能会发生FFT频谱泄漏，导致测量不准确。为了表征AC性能，需要高质量的源，否则性能可能会受到源性能的限制。

（七）单通道连续读取（SCCR）使用SPI命令与SYNC引脚对比

1. 使用SPI命令

在GUI中设置为单周期模式，ADC数据速率为12 ksps，PD = 6.9μs，点击“连续读取”按钮。通过逻辑分析仪捕获的波形可以看到，SPI命令时钟的最后一个下降沿相对于DRDYB信号的下降沿，即ADC读取时间。

2. 使用SYNC引脚

在GUI中设置为单周期模式，ADC数据速率为12 ksps，PD = 6.9μs，选择“使用SYNC引脚触发新转换”复选框，然后点击“连续读取”按钮。逻辑分析仪捕获的波形显示，SYNC脉冲的上升沿相对于DRDYB信号的下降沿，即ADC读取周期时间。

（八）GPIO管理

1. 输出

板载LED连接到GPIO9，因此GPIO9是测试输出行为的最佳选择。将GPIO9配置为输出，设置GPO状态单元，然后观察LED状态的相应变化。

2. 输入

将GPIO9短接到GPIO6，将GPIO6设置为输入，GPIO9设置为输出。将GPIO9设置为高电平，点击“读取”按钮；再将GPIO9设置为低电平，点击“读取”按钮，观察相应的输入状态变化。

八、应用演示

在GUI中，可以尝试NAFE的三个典型应用：

（一）板载RTD温度测量

评估套件具有由两个电阻和一个热敏电阻组成的分压器，由ref_buf输出供电。在该部分可以配置SINC滤波器、单/正常周期和数据速率。按下“开始单转换”下方的“播放”按钮将执行单转换，会显示两个结果：原始电压结果和温度转换结果。在选项卡底部有一个图表和两个按钮：“播放”和“停止”。按下“播放”按钮将执行连续转换，直到按下“停止”按钮。连续转换每次配置为进行100个样本，这些样本将绘制在图表上。需要注意的是，在连续模式下不能设置过慢的速率，否则会出现警告消息。

（二）四线PT100温度测量

PT 100温度传感器是最常见的铂电阻温度计类型。四线配置可以通过两根线施加电流，在另外两根线上读取电压，从而消除因电流导致的电压降。在该部分可以配置Sinc滤波器、单/正常周期、数据速率、输入引脚（Sense）、输出电流引脚（Force）、电流大小和电流符号。操作方式与板载RTD类似，执行单转换或连续转换，并查看相应结果。同样，连续模式下不能设置过慢的速率。

（三）称重传感器重量测量

以应变片称重传感器为例，在该部分可以配置Sinc滤波器、单/正常周期、数据速率、输入引脚（Sense）、输出电压引脚（Force）、电压大小和电压符号。由于与力成比例的电压非常小（几毫伏），建议使用16x PGA。在进行这种转换之前需要进行校准，因为称重传感器的结构传递函数取决于其安装结构。校准过程包括两个步骤：零负载时的偏移重置和已知重量物体的校准系数计算。操作方式与前面类似，执行单转换或连续转换，并查看结果，连续模式下也不能设置过慢的速率。

九、总结

NAFExx388评估板为工业级多通道模拟输入AFE的测试和设计提供了一个功能强大、使用方便的平台。通过丰富的硬件资源、友好的GUI界面以及多样化的测试和应用功能，工程师可以快速验证和开发基于这些AFE的应用系统。在实际使用过程中，需要严格遵循其使用说明和注意事项，以确保获得准确、可靠的测量和应用效果。同时，也要注意相关的法律信息和风险，避免不必要的问题。希望各位电子工程师在使用该评估板的过程中能够充分发挥其优势，开发出更优秀的工业电子应用产品。你在使用类似评估板的过程中遇到过哪些有趣的问题呢？欢迎在评论区分享交流。