探秘PGA450Q1EVM - S：超声波传感评估模块的全方位解析

在电子工程领域，超声波传感技术因其广泛的应用前景而备受关注。德州仪器（Texas Instruments）的PGA450Q1EVM - S评估模块，为工程师们提供了一个便捷且高效的平台，用于评估PGA450 - Q1超声波传感器信号调理器的性能。本文将深入探讨该评估模块的各个方面，包括其功能、设置与操作、软件配置、原理图、物料清单及布局等内容。

文件下载：PGA450Q1EVM-S.pdf

一、模块简介

PGA450Q1EVM - S是一款完全组装好的印刷电路板（PCB）设计，旨在对PGA450 - Q1超声波传感器信号调理器、超声波换能器和升压变压器进行实际评估。其小巧的外形尺寸与最终产品的外形相当，这使得用户能够轻松地将基于PGA450 - Q1的传感器模块集成到实际系统中，而无需额外制作原型。该模块可应用于多种场景，如汽车停车辅助、油箱液位传感、自主机器人防撞以及无人机着陆辅助等。不过，德州仪器建议用户先使用PGA450Q1EVM进行评估，再过渡到PGA450Q1EVM - S的评估。

二、设置与操作

2.1 输入输出连接器

PGA450Q1EVM - S具备两个电源连接器、三个通信接口和两个输出接口。以下是各连接器的详细信息：	终端	标识符	方向	描述
MAIN	J2 - 1	输入	为PGA450 - Q1设备的VPWR引脚提供单系统电源，供电范围为7至18V直流，用于为整个电路板供电。
LIN	J2 - 2	输入/输出	PGA450 - Q1设备实现了符合LIN 2.1标准的物理层，可用于与主MCU进行数据通信。
GND	J2 - 3, J4 - 2	—	接地端子，用于完成电路连接。
VPROG	J2 - 4	输入	为PGA450 - Q1设备的OTP内存编程提供8V的VPROG_OTP电源输入。
SPI	J3	输入/输出	与PGA450Q1EVM GUI和TI GER USB接口配合使用，用于对PGA450 - Q1设备进行编程。使用SPI通信时，内部8051W必须置于复位状态。
UART	J4 - 3, J4 - 4	输入/输出	PGA450 - Q1设备的TxD和RxD引脚连接到8051W UART，可用于软件调试或实现特定应用协议。
DACO	J4 - 1	输出	可观察放大后的模拟回波信号或经数模转换后的数字滤波回波信号。在GUI的评估选项卡中，有“放大器输出（未滤波）”和“数据路径输出（滤波）”的快速访问按钮，信号可在DACO引脚查看，每次只能选择一种模式。
XDCR连接器	J1	输入/输出	用于连接外部换能器传感器元件，驱动和监听超声波信号。

2.2 基本操作

PGA450 - Q1设备可以从OTP或DEVRAM内存运行，并通过LIN、UART或SPI通信接口进行操作。在本文中，我们以OTP内存配置和UART通信为例，介绍其基本操作。

2.2.1 编程PGA450 - Q1 DEVRAM或OTP内存

如果用户希望自定义或修改固件，可以按照以下步骤对设备进行编程：

1. 将12V系统电源连接到EVM的J2 - 1（MAIN），并将EVM的J3引脚的SPI连接到TI GER板的SPI引脚。
2. 将TI GER板连接到PC。
3. 打开PGA450Q1EVM GUI。
4. 点击ESFR选项卡上的“OFF（Micro Reset）”按钮。
5. 点击“READ ALL”按钮读取ESFR选项卡上的所有寄存器，使用寄存器B4（TEMP_SENS）作为指示器，确保设备通过SPI正常运行和通信。如果寄存器数据读取值不为0x00或0xFF，则表示通信正常。
6. 在OTP选项卡下，点击“Check OTP Status”按钮。如果PGA450 - Q1设备之前未进行OTP编程，状态将显示“OTP Empty”。
7. 连接8V电源到传感器的VPROG_OTP引脚，以编程OTP内存；如果是首次编程DEVRAM内存，或者OTP状态显示“OTP Empty”，也需进行此操作。
8. 如果要编程DEVRAM内存，转到DEVRAM选项卡；对于从未编程过的全新IC（OTP状态显示“OTP Empty”），在GUI中勾选“Program OTP Memory Also”选项，此选项将同时编程OTP和DEVRAM内存，OTP内存将被编程一个长跳转语句，将固件重定向到DEVRAM内存中加载和运行。如果要为生产版本或永久编码的PGA450 - Q1设备编程OTP内存，转到OTP选项卡，点击“Load .HEX File into GUI”，并找到合适的基于OTP的.HEX文件。
9. 设备的编程和验证将自动进行。
10. 设备验证完成后，断开VPROG_OTP电源电压（如果适用）。如果已编程DEVRAM内存，请勿断开系统电源电压，因为PGA450 - Q1设备电源循环时，DEVRAM内存将被清除。

2.2.2 编程PGA450 - Q1 EEPROM

如果用户希望使用PGA450Q1EVM GUI修改EEPROM，可以按照以下步骤进行：

1. 假设MCU状态仍设置为“MICRO IS IN RESET”，转到EEPROM选项卡，输入地址0x00至0x1F的寄存器值，具体值可参考文档中的表3。德州仪器建议用户先使用示例值，然后根据需要进行调整。地址0x1F的值为传感器地址。
2. 点击“WRITE SELECTED”按钮，为确保阈值值正确写入，点击“READ ALL”按钮。
3. 点击“PROGRAM EEPROM”按钮存储阈值值。
4. 点击“Reload”按钮，为确保阈值值已正确写入并保留，点击“READ ALL”按钮，EEPROM表应如文档中的图3所示。

2.2.3 测试与TI GER板的UART连接

使用以下步骤测试与TI GER板的UART连接：

1. 如果用户未断开系统电源，确保通过点击ESFR选项卡上的“ON（MicroActive）”按钮再次激活MCU。
2. 在PGA450Q1EVM GUI的右上角，点击“Direct TI GER Control”按钮（该按钮无文本，仅为图像）。
3. 在GPIO选项卡下，点击“IO - 8 = IN”和“IO - 9 = IN”按钮，确保IO - 8和IO9设置为IN HIGH。
4. 将传感器的UART引脚连接到TI GER板的UART引脚（TI GER板的引脚10（TxD）连接到传感器的RXD，引脚20（RxD）连接到传感器的TXD）。
5. 在UART选项卡的“UART CONTROL SETTING”部分，选择“SETUP #9”。
6. 在GUI右下角的“BAUD RATE”框中输入19200。
7. 在UART TEST选项卡中选择“SETUP #9”。
8. 点击“OPEN UART MODULE”按钮。
9. 点击“CHANGE BAUD RATE”按钮，应显示19200和“1 - bit = 52.1μs”。
10. 点击“CHECK FOR ERRORS”按钮，确保没有错误发生。如果发生错误，某个框将变为红色，此时用户必须立即点击“CLOSE MODULE IMMEDIATELY”和“CLOSE UART MODULE”按钮，然后从步骤8开始重复设置。
11. 在TX框中写入如图6所示的值，每个字节必须单独一行输入。
12. 点击“RX”按钮显示传感器的响应。

2.3 UART命令列表

文档中提供了一系列预定义的UART命令，用于与PGA450 - Q1设备进行通信，以下是部分命令示例：

• Command 0：测试UART通信。如果通信正常，PGA450 - Q1将返回值0x12 0x23。示例十六进制输入：0x00, 0x55, 0x01, 0x00。
• Command 1：触发短距离或长距离突发并捕获，使用硬编码的驱动和接收设置，同时读取检测到的最近物体的阈值交叉的第一个实例。示例十六进制输入：0x00, 0x55, 0x11, 0x02, 0x00。
• Command 2：读取检测到的最近物体的阈值交叉的第一个实例。示例十六进制输入：0x00, 0x55, 0x21, 0x00。
• Command 3：更新EEPROM值。示例十六进制输入：0x00, 0x55, 0x31, 0x00, 0xFF, 0x00。
• Command 4：读取FIFO数据的所有768字节。示例十六进制输入：0x00, 0x55, 0x41, 0x00。
• Command 5：根据EEPROM配置的驱动和接收设置，突发并捕获超声波轮廓。示例十六进制输入：0x00, 0x55, 0x51, 0x02, 0x00。
• Command 6：报告所选操作模式（短距离或长距离）的阈值值。示例十六进制输入：0x00, 0x55, 0x61, 0x02, 0x00。
• Command 7：在示例固件中未使用，保留用于自定义用户定义功能。示例十六进制输入：0x00, 0x55, 0x71, 0x00。

三、软件

3.1 IDE输出文件配置

要修改通过PGA450Q1EVM - S固件安装程序提供的源代码，需要下载适用于所有8051设备的Keil C51开发工具，其中包括打开和编辑PGA450 - Q1项目文件所需的uVision IDE。Keil产品使用许可证管理系统，没有当前许可证，产品将以评估版或精简版运行，存在一些限制。

3.1.1 DEVRAM输出文件设置

按照以下步骤设置DEVRAM内存的输出文件：

1. 将代码范围更改为DEVRAM内存空间：右键单击项目窗口中的“Target 1”，选择“Options for Target”，转到“BL51 Locate”选项卡，将代码范围修改为从0x2000 - 0x3FFF。
2. 将以下文本复制到代码框中：

   ?pr?external1_ISR?PGA450_isrs (0X2100),
   ?pr?timer0_ISR?PGA450_isrs (0X2400),
   ?pr?timer1_ISR?PGA450_isrs (0X2800),
   ?pr?serial_ISR?PGA450_isrs (0X2C00),
   ?pr?linPID_ISR?PGA450_isrs (0X3000), 
   ?pr?linSciRxData_ISR?PGA450_isrs (0X3400), 
   ?pr?linSciTxData_ISR?PGA450_isrs (0X3800), 
   ?pr?external0_ISR?PGA450_isrs (0X3900),
   ?pr?linSync_ISR?PGA450_isrs (0X3D00)

3. 在STARTUP.A51中注释掉OTP部分，并取消DEVRAM部分的注释。

3.1.2 OTP输出文件设置

按照以下步骤设置OTP内存的输出文件：

1. 将代码范围更改为OTP内存空间：右键单击项目窗口中的“Target 1”，选择“Options for Target”，转到“BL51 Locate”选项卡，将代码范围修改为从0x0000 - 0x1FFF。
2. 删除代码框中的所有内容。
3. 在STARTUP.A51中注释掉DEVRAM部分，并取消OTP部分的注释。

3.2 接口描述

PGA450 - Q1设备兼容三种通信接口选项，包括SPI、LIN和UART，所有这些通信接口、相关电路或访问点都集成在PGA450Q1EVM - S上。

3.2.1 UART接口

PGA450 - Q1设备的TxD和RxD引脚连接到8051W UART，可用于软件调试或实现特定应用协议。具体使用示例可参考文档中的2.3节。

3.2.2 LIN接口

PGA450Q1EVM GUI可以使用LIN与PGA450 - Q1设备进行通信。TI GER USB通信板的UART是LIN主设备，PGA450 - Q1设备是LIN从设备。GUI可用于配置发送到PGA450 - Q1设备的LIN帧。需要一个外部LIN收发器将TI GER板的UART转换为符合LIN标准的格式。具体使用示例可参考“LIN Demonstration using PGA450Q1EVM Firmware Rev 2.1 (SLDA035)”。

3.2.3 串行外设接口（SPI）

PGA450 - Q1设备可以进入复位状态，此时微控制器不活动。在此状态下，SPI是唯一可用的数字接口。低侧驱动器仍可触发以开始超声波突发，模拟前端和数字数据路径仍可将返回的回波信号存储在FIFO RAM中。然而，内部微处理器不会对FIFO RAM数据进行处理以确定物体的位置。FIFO RAM数据可以通过SPI读取，允许外部微处理器处理数据。为了快速评估PGA450 - Q1设备的性能，GUI提供了一个直观的评估选项卡，收集了换能器驱动和接收的所有必要信息，包括换能器频率、驱动电压、变压器配置、驱动脉冲数以及信号处理参数等。

四、原理图、物料清单及布局

4.1 原理图

文档中的图8展示了PGA450Q1EVM - S的原理图，通过该原理图可以了解模块的电路连接和信号传输路径。

4.2 物料清单（BOM）

表5列出了模块的物料清单，包括各个元件的设计标识符、数量、值、描述、封装和参考零件编号等信息，为工程师进行物料采购和模块组装提供了详细的指导。

4.3 电路板布局和元件放置

文档中的图9和图10分别展示了模块的顶部和底部元件放置情况，图11和图12分别展示了电路板的顶部和底部布局。合理的布局和元件放置有助于提高模块的性能和稳定性。

五、总结

PGA450Q1EVM - S评估模块为工程师提供了一个全面的平台，用于评估PGA450 - Q1超声波传感器信号调理器的性能。通过详细的设置与操作说明、软件配置指导以及原理图、物料清单和布局信息，工程师可以轻松地将该模块集成到实际系统中，并进行各种应用开发。在实际使用过程中，工程师可以根据具体需求对模块进行编程和配置，以实现最佳的性能表现。同时，德州仪器提供的相关文档和参考资料也为工程师提供了有力的支持，帮助他们更好地理解和使用该模块。你在使用PGA450Q1EVM - S评估模块的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。