[经验分享] 【DigiKey创意大赛】多通道微型气相色谱采集单元-2. 硬件设计

sunduoze 2024-1-4 23:44 楼主

3 硬件设计

3.1主要硬件组件

3.1.1 控制器及通讯单元

ESP32是一款由乐鑫信息科技开发的低成本、高性能的微控制器芯片，主要用于物联网（IoT）应用。ESP32继承了其前身ESP8266的特点，并在性能、功耗以及功能上进行了改进。以下是ESP32的一些重要特性和介绍：

双核处理器：ESP32搭载了两个处理器核心，可分别用于应用处理和Wi-Fi网络协议栈的管理，提高了系统的整体性能和响应速度。
Wi-Fi和蓝牙连接：ESP32支持2.4GHz的Wi-Fi连接，适用于无线网络通信。此外，它还集成了蓝牙4.2/5.0技术，可用于连接其他蓝牙设备或实现蓝牙Mesh网络。
丰富的接口：ESP32提供了多种通用输入输出接口（GPIO）、SPI、I2C、UART等，使其易于与其他硬件设备和传感器进行连接，满足各种应用场景的需求。
低功耗设计：ESP32在设计上注重功耗优化，支持多种低功耗模式，可在电池供电的应用中实现长时间运行。

ADC模数转换器

该系统采用ADI的EVAL-AD7606CFMCZ 评估板来实现ADC功能，其中的AD7606C-18是18位、1 MSPS SAR-ADC（所有通道），具有 1MΩ 最小模拟输入阻抗 (RIN) 的输入缓冲器，可以免除去以往的前端电路设计,极大方便并行数据的采集。同时可以通过寄存器配置来切换ADC的模式（差分，单端）及量程，极大的简化Front-End设计成本并且简化了系统设计复杂度。

本设计中采用单线SPI与其通讯来节省pin脚占用（实际并不需要，并且通信速率会受限）

另外评估板上集成了ADR4525的B级基准源，2 ppm/°C的温漂性能，

1.25μV p-p的低频输出噪声极大的降低整个系统误差以及噪声。

由于该芯片有8路采集功能，故为了将其通道全部利用，实际除了检测器信号外还预留了辅助的电压电流测量功能，系统不同检测器供电电压监控的功能，以下是实际通道的配置信息：

评估板跳线帽配置:

3.1.3 USB转串口（无需外围晶体管实现一键烧录ESPxx）

CH343是一个USB总线的转接芯片，实现USB转高速异步串口，同时支持115200bps及以下通讯波特率的自动识别和动态自适应，提供了常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备或者MCU直接升级到USB总线。通过RTS pin和DTRTNOW pin连接ESPxx的EN脚和IO00脚，利用流控制来实现程序的自动烧录。

3.1.4 其他外设

OLED
该系统采用OLED（SSD1306）为辅助显示屏幕来方便用户功能的切换
螺旋编码按键，该按键用于与OLED实现UI交互，极大的方便调试和使用

3.2 电源设计

3.2.1 电源需求

系统中DID & PID均需要5.6V以上电源供电，AD7606C EVAL板也需要5V以上电源供电
TCD检测器需要18-20V电源进行供电
MCU、OLED等外设均需要3.3V电源供电

3.2.2 电源管理

系统通过Type-C接口，采用PD协议通过cc线与适配器通讯，输出20V电压为整个系统供电。通过buck电路降压到5.6V给DID与PID检测器以及AD7606C EVAL板供电；通过超低噪声和超高PSRR LDO及可编程电阻产生18-20V的可编程电压输出；使用LDO将5.6V转换成3.3V给MCU及周边外设供电。

TYPE-C及PD
该系统采用FUSB302B 通过较少的编程实现了 USB Type-C 检测，包括连接和定向。该设计中实现可高达 60 W 的电源电力输送。
TCD用可调电源
该电源采用ADI的LT3045超低噪声和PSRR的LDO来给检测器提供电源，由于实际需求（此处设计超过其典型值但未超过其绝对最大值），需要其具有小范围的电压调节功能,故采用AD5272来（最大20kOhm）的可调
20V转5.6V的降压Buck电路及5.6V转3.3V的LDO

3.2.3 电流采集（测量范围：0.1A – 9.8A）

电流采集部分采用了支持高共模电压的电流监视放大器INA290A3，通过Vishay Y14730R00500B0R的±5ppm/°C的5 mOhms ±0.1% 3W的精密电阻两端电压并实现100倍电压放大，送到ADC-CH8来进行采集（此处采用ADI的运放评估板的通用接口来与ADC板进行连接），理论上可以做到76.3uA的最小分辨能力（实际设计连接器pin1与ADI板的pin1不对应，ADC-CH8理应配置为0-5V单极性采样来做到~38uA的电流分辨能力）。