Беспроводное питание для шумопоглощающих схем
Является ли решение IDT Tx / Rx беспроводной мощностью подходящим для приложений, требующих высокоточной аналоговой производительности?
Требуемое оборудование / программное обеспечение
- Плата оценки SLFK2000A EFM8
- Интегрированная среда разработки Simplicity Studio
- Scilab
- Оценочные платы IDT P9038-R-EVK и P9025AC-R-EVK
Предыдущая статья в этой серии
Включение беспроводной сети с наборами Tx / Rx IDT
Статьи с поддержкой информации
- Если вы новичок в микроконтроллере EFM8 или в среде разработки Silicon Labs, посмотрите на серии EFM8 от Silicon Laboratories и / или на введение в разработку проекта с помощью микроконтроллера EFM8
- Руководство по пониманию и внедрению аналого-цифрового преобразователя EFM8 можно найти здесь
- В этой статье представлен Scilab
- В двух предыдущих статьях представлена информация о включении USB-связи в проект EFM8: общение с микроконтроллером EFM8 через USB и EFM8. Синтезатор звука: воспроизведение мелодий через USB
Вопрос о шуме
В предыдущей статье мы представили комплекты беспроводной связи ID90 P9038 и P9025AC и кратко проанализировали качество питания, предоставляемое приемной платой. Наши результаты показали, что беспроводное решение IDT Tx / Rx обеспечивает стабильное малошумящее выходное напряжение - пока ваше устройство накладывает механические ограничения, которые обеспечивают правильное выравнивание и разделение между катушкой передатчика и катушкой приемника. Но любое обсуждение беспроводной передачи, особенно беспроводная передача, предназначенная для передачи большого количества энергии, вызывает вопрос о шуме. Фактически, вопрос о шуме может заметно проникнуть в ваш разум, как только вы посмотрите на катушку зарядки диаметром 4 см, которая должна быть размещена в непосредственной близости от вашей (возможно, чувствительной к шуму) монтажной платы.
Микросхемы IDT и оценочные платы включают функции, предназначенные для уменьшения электромагнитных помех, например, IC-передатчик управляет скоростью кромок полевых МОП-транзисторов в интегрированном полномостовом инверторе, а катушка передатчика установлена на ферритовом щите. Техническое описание P9038 также стремится заверить сомнительного инженера: «отличная производительность электромагнитных помех устраняет необходимость в EMI-фильтре»; «Выбросы EMI / RFI … лучше, чем требования спецификации WPC (Wireless Power Consortium)». В дополнительных маркетинговых материалах указано, что защита от высокой проницаемости передатчика предотвращает засорение потока заряда в чувствительные компоненты ». Все это довольно убедительно, но, тем не менее, немного независимой оценки никогда не бывает больно.
Сколько шума слишком много?
Шум присутствует в каждой цепи. В некотором смысле, сам шум является нейтральным, а не по своей сути хорошим или плохим. Шум становится врагом только тогда, когда он существует в форме, которая является проблематичной по отношению к требованиям системы. В высокоточной аналоговой схеме, например, 50 мВ шумовой связи в сигнал датчика может быть катастрофическим, тогда как такая же величина шума в чисто цифровой схеме может не влиять на общую функциональность.
В этом проекте мы будем оценивать шум, вызванный EMI, с использованием 12-разрядного АЦП с эталонным 1, 65 В. Это означает, что переход в младшем значении бит результата АЦП соответствует (1, 65 В) / (2 12) = 403 мкВ. Можно с уверенностью предположить, что даже без основного источника шума результат преобразования будет меняться по меньшей мере на один цифровой счет выше и ниже среднего значения, поэтому эта измерительная система не может определять величины шума ниже примерно 1 мВ. Многие конструкции с смешанными сигналами, особенно в контексте бытовой электроники, не требуют абсолютной точности лучше, чем 1 мВ, и, таким образом, наш анализ достаточен для множества устройств, которые можно рассматривать как кандидатов для включения беспроводной сети. Возможно, что этот анализ не сможет обнаружить шум, который будет значительным для приложений, которым действительно требуется разрешение 14 или 16 бит; в то же время, однако, такие высокоточные системы обычно приоритизируют целостность сигнала по беспроводной мощности, что для большинства устройств является удобным и доступным, но далеко не необходимым.
Конфигурация оборудования
Этот проект использует внутренний АЦП EFM8 для генерации выборок для анализа шума.
Как показано выше, АЦП настроен на 12-разрядную работу. Nota bene: Что касается реального оборудования, ADC EFM8 - это 10-битное устройство. При настройке для 12-битных преобразований модуль АЦП «выполняет четыре десятибитовых преобразования с использованием четырех различных опорных напряжений и объединяет результаты в одно 12-битное значение» (из справочного руководства EFM8UB1). Поначалу кажется, что такое синтетическое 12-битное преобразование не подходит для анализа шума, но Silicon Labs настаивает на том, что процедура, используемая АЦП, в отличие от простой процедуры усреднения, «обеспечивает истинное 12-битное разрешение переменного тока или входные сигналы постоянного тока ». Таким образом, этот проект использует 12-битный режим в надежде, что он обеспечит дополнительную чувствительность к обнаружению шума.
Тем не менее, похоже, что 12-битный режим подвержен некоторым сложностям синхронизации, которые делают процесс преобразования восприимчивым к случайным ложным отклонениям. Эти нарушения становятся более частыми по мере увеличения частоты дискретизации. Правильный вид утонченности при настройке различных сигналов задержки и синхронизации может устранить эту проблему, но для наших целей мы можем получить приемлемые результаты, просто поддерживая частоту дискретизации менее 5000 выборок в секунду. Частота дискретизации не является критичной, поскольку высокочастотные индуцированные шумы от катушки беспроводной передачи, которая управляется грубо синусоидальным сигналом, будут сфальсифицированы в выборочных данных. Если по какой-то причине требуется гораздо более высокая частота дискретизации, возможно, самым простым решением является использование 10-битного режима.
Таймер 3 генерирует запуск из-преобразования сигналов для АЦП, и мы также должны включить внутренний источник опорного напряжения и АЦП «преобразование» полное прерывание.
Конфигурация USB выполняется в исходных файлах через библиотеку VCPXpress.
Прошивка
Общая функциональность следующая: образцы АЦП хранятся в 500-байтовом буфере. Для 12-разрядного образца требуется два байта, но в этом проекте мы храним и анализируем только младший байт, потому что в этом байте будут возникать все колебания сигнала из-за шума. Таким образом, 500 байтов данных соответствуют 500 АЦП, а не 250. Когда буфер заполнен, микропрограмма проверяет, запрашивает ли USB-узел данные АЦП. Если нет, буфер постепенно перезаписывается новыми данными, и процесс повторяется; если это так, EFM8 передает полный буфер сэмплов на ПК. Конверсии ADC приостанавливаются во время передачи USB.
Вот основные разделы кода:
//----------------------------------------------------------------------------- // ADC0EOC_ISR //----------------------------------------------------------------------------- // // ADC0EOC ISR Content goes here. Remember to clear flag bits: // ADC0CN0::ADINT (Conversion Complete Interrupt Flag) // //----------------------------------------------------------------------------- SI_INTERRUPT (ADC0EOC_ISR, ADC0EOC_IRQn) { ADC0CN0_ADINT = 0; //clear interrupt flag //only the low byte is needed for noise analysis ADCValues(BufferIndex) = ADC0L; BufferIndex+; if(BufferIndex == TX_BUFFER_LEN) { BufferIndex = 0; ADC_BUFFER_FULL = TRUE; //stop Timer3 to suspend ADC conversions SFRPAGE = TIMER3_PAGE; TMR3CN0 &= ~TMR3CN0_TR3__RUN; } }
VCPXpress_API_CALLBACK(myAPICallback) { uint32_t API_InterruptCode; //get the code that indicates the reason for the interrupt API_InterruptCode = Get_Callback_Source(); //if the USB connection was just opened if (API_InterruptCode & DEVICE_OPEN) { //start the first USB read procedure Block_Read(USBRxPacket, USB_PACKET_SIZE, &USBBytesReceived); /*we will process the received bytes when we get a callback with an RX_COMPLETE interrupt code*/ } if (API_InterruptCode & RX_COMPLETE) // USB read complete { if(USBBytesReceived == 1 & USBRxPacket(0) == 'R') ADC_DATA_REQUESTED = TRUE; //continue with the next USB read procedure Block_Read(USBRxPacket, USB_PACKET_SIZE, &USBBytesReceived); } if (API_InterruptCode & TX_COMPLETE) // USB transfer complete //restart Timer3 to gather more ADC samples SFRPAGE = TIMER3_PAGE; TMR3CN0 } void Transmit_USB_Packet() { Block_Write(ADCValues, TX_BUFFER_LEN, &USBBytesTransmitted); }
int main (void) { //call hardware initialization routine enter_DefaultMode_from_RESET(); //VCPXpress initialization USB_Init(&InitStruct); //enable VCPXpress API interrupts API_Callback_Enable(myAPICallback); //enable global interrupts IE_EA = 1; //start Timer3 and thereby enable ADC conversions SFRPAGE = TIMER3_PAGE; TMR3CN0 |= TMR3CN0_TR3__RUN; while(1) { if(ADC_BUFFER_FULL == TRUE) { ADC_BUFFER_FULL = FALSE; if(ADC_DATA_REQUESTED == TRUE) { ADC_DATA_REQUESTED = FALSE; Transmit_USB_Packet(); } else = TMR3CN0_TR3__RUN; } } }
Скачать код
Больше командной строки
В этом проекте мы будем использовать следующий графический интерфейс пользователя Scilab для сбора и анализа выборочных данных:
Скачать код
Этот графический интерфейс был разработан с помощью инструментария GUI Builder, который вы можете загрузить через диспетчер модуля ATOMS Scilab:
Сэмплированные данные отображаются в прямоугольном окне, и графический интерфейс автоматически вычисляет и отображает три показателя: среднее значение (ака среднее), диапазон и стандартное отклонение. Все три дают нам информацию о количестве шума:
- Вариации среднего значения от одного набора данных к другому указывают на наличие низкочастотных отклонений в измеренном сигнале.
- Диапазон определяется максимальным и минимальным значением в каждом наборе данных, поэтому эта метрика чувствительна ко всем отклонениям от среднего, даже к тем, которые не происходят регулярно или имеют очень короткую продолжительность.
- Стандартное отклонение - это способ оценки общей амплитуды шума, поскольку он указывает нам среднюю разницу между средним значением и точками данных. Стандартное отклонение рассчитывается путем вычисления квадратного корня из среднего значения квадратов разности, и, таким образом, стандартное отклонение сигнала, содержащего случайный шум, является просто среднеквадратичной амплитудой шума.
Результаты
Если вы проводите аналогичный анализ для оценки влияния EMI на свою собственную схему, имейте в виду, что на выходную мощность передатчика влияет то, сколько тока нагрузки подается приемником (плата Rx может связываться с платой Tx на модулируя нагрузку на катушку приемника). Таким образом, вы должны загрузить приемник в соответствии с ожидаемым потреблением тока вашей схемы. В этом проекте мы используем небольшой ток нагрузки около 40 мА.
Эти первые наборы данных представляют собой образцы, собранные из внутреннего температурного датчика EFM8, причем EFM8 расположен непосредственно над центром катушки приемника.
Беспроводной передатчик мощности выключен для первого набора данных и включен для второго набора данных; существенная разница не заметна, а повторные коллекции данных подтверждают, что в этом случае беспроводная передача энергии не приводит к значительным шумовым помехам.
Этот следующий набор данных был собран с той же физической конфигурацией, но на этот раз оценочная плата EFM8 питается модулем приемника беспроводной мощности.
Опять же, никаких проблем с шумом не наблюдается. Это хорошо!
Для следующих наборов данных АЦП управляется не внутренним температурным датчиком, а штырьком порта (а именно, P0.0), подключенным через довольно длинный провод к резистивному разделителю на макете. Помните, что P0.0 должен быть настроен как аналоговый вход и пропущен перекладиной. Резистивный делитель уменьшает напряжение питания 3, 3 В до 0, 6 В (напомним, что опорный сигнал АЦП составляет всего 1, 65 В).
Зеленый провод сигнала помещен рядом с катушкой приемника, и черный провод заземления намеренно отделен от зеленого провода, чтобы устранить любые эффекты шумоподавления. Это не честная борьба за IDT, но результаты будут тем не менее информативными. Передатчик отключен для первого набора данных и включен для второго.
Это количество шума, безусловно, испортило бы ваш день, если бы вы пытались поддерживать точность порядка 1 мВ. Следующий график подтверждает, что уровень шума аналогичен, когда плата EFM8 питается от модуля приемника.
Как раз для записи, скручивание провода заземления вокруг сигнального провода (при сохранении той же близости к катушке приемника) обеспечивает значительное улучшение:
И еще одно значительное уменьшение амплитуды шума достигается путем скручивания всех трех проводов вместе и «экранирования» их алюминиевой фольгой:
Для вышеуказанного набора данных экран был плавающим. Заземление экрана на стороне EFM8 уменьшило амплитуду шума RMS на дополнительные 10-30%.
Вывод
Наборы данных более или менее говорят сами за себя. Никто не ожидает, что беспроводная передача питания будет такой же чистой, как старомодный подход «с кабелем плюс», а решение IDT удивительно совместимо с довольно высокоточной аналоговой схемой, но похоже, что короткие межсоединения и наземные плоскости печатной платы играют важную роль в минимизации влияния EMI. Если вам необходимо проложить провода или длинные следы возле катушки приемника, тщательная экранирование и фильтрация помогут вам сохранить целостность сигнала.
Попробуйте этот проект сами! Получить спецификацию