E97S 開發(fā)板使用指南：電容檢測系統(tǒng)的快速評估與原型搭建利器

在電子設(shè)計領(lǐng)域，快速評估和原型搭建是推動產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。E97S 開發(fā)板專為基于電容檢測系統(tǒng)的 QT9701B2 IC 而設(shè)計，為工程師們提供了一個便捷、高效的解決方案。本文將詳細介紹 E97S 開發(fā)板的功能、使用方法、注意事項以及故障排查等方面，希望能幫助各位工程師更好地使用這款開發(fā)板。

文件下載：E97S.pdf

一、E97S 開發(fā)板概述

E97S 開發(fā)板集成了所有構(gòu)建完整傳感器系統(tǒng)所需的電路，借助 QT9701B2 QProx IC，具備全雙工串行接口，可連接到 PC 進行功能控制、數(shù)據(jù)查看和記錄，并且與 QTWinview 軟件完全兼容。若需了解該產(chǎn)品的更多詳細信息，可參考 QT9701B2 數(shù)據(jù)手冊。

二、快速啟動步驟

1. 電源連接

將 +8 至 +20VDC 的可切換電源連接到螺絲端子塊，電源可以是 9V 堿性電池或臺式電源，但此時先不要開啟電源。

2. 串口連接

使用“直通擴展型 DB9 串口電纜”將 RS232 串口連接器連接到 PC。

3. 信號連接

將細同軸電纜插入開發(fā)板上標有“SIGNAL”的連接器，將電纜另一端的中心導體連接到一片金屬箔或其他浮動金屬物體。

4. 運行軟件

在 PC 上運行 QTWinview 軟件，點擊“FILE | LOAD GRID”并打開“QT9701B2.qdf”文件。

5. 串口設(shè)置

點擊“COMM | SETUP”，確保 PC 串口與使用的串口匹配，波特率設(shè)置為 9600。

6. 開啟電源

給開發(fā)板供電，一個或兩個 LED 會亮起或閃爍。

7. 聯(lián)機操作

點擊 QTWinView 窗口底部的“GO ONLINE”。

8. 抓取數(shù)據(jù)

點擊 QTWinView 窗口底部的“GRAB CURRENT”，設(shè)置表中的單元格會高亮顯示，以反映 E97S 中加載的設(shè)置。

9. 查看信號

點擊 QTWinView 窗口底部的“POLL QPROX”，查看來自開發(fā)板的實際信號。

若開發(fā)板無法與 PC 通信，需檢查波特率、通信端口設(shè)置、電纜連接以及 E97S 的電源。若仍無法通信，請參考本文的故障排查部分。當手靠近電極時，信號電平會上升，反映電容的增加。

三、開發(fā)板接口與功能

1. 電源連接器

螺絲端子條用于為開發(fā)板供電，電壓應(yīng)在 +8 至 +20 伏直流之間。為獲得最佳性能，電源應(yīng)無開關(guān)噪聲和短期波動。

2. 主連接器

位于 RS232 和電源條之間，包含 BG 和 OBJ 信號線，用于外部硬件校準控制，以及 Out 和 Stat 線。還設(shè)有 V + 連接器，可通過同一插頭提供外部電源。

3. RS232 連接器

提供 E97S 與外部主機（如 PC 或微控制器）之間的雙向通信，可對設(shè)備進行全面控制，包括校準和設(shè)置，還允許以高達 115K 波特的速率實時下載信號和參考信息。

4. 感應(yīng)連接器

2 針插頭提供與感應(yīng)電極的接口，一個引腳是開發(fā)板接地，應(yīng)連接到電纜屏蔽層（如果有屏蔽），另一個是信號線，應(yīng)直接連接到感應(yīng)電極。

5. 采樣模擬插頭

標有“AIN SMP GND”的 3 個焊盤可與采樣保持電路配合使用，創(chuàng)建未處理且動態(tài)范圍很寬的“原始”模擬信號。SMP 線包含一個脈沖，可用于采樣 E97S 運算放大器電路輸出，所得信號可直接用于模擬系統(tǒng)或輸入高性能 ADC 進行進一步處理。

6. 增益開關(guān)

2 位置開關(guān)控制運算放大器電路的增益，“Hi”位置的增益比“Lo”位置高 16 倍，具體細節(jié)可參考原理圖。

7. 模擬端口

提供反映電容水平的模擬輸出信號，該模擬信號是“合成”的，即由 QT9701B2 處理后輸出，輸出類型由設(shè)置 U 確定。與“采樣模擬連接器”上的信號不同，該信號先通過 QT9701B2 處理，分辨率為 8 位，可通過選擇適當?shù)脑O(shè)置選項進行濾波、重新歸零、反轉(zhuǎn)或取“絕對值”。

8. SPI 端口

僅輸出端口，允許將數(shù)據(jù)（如信號電平、開發(fā)板狀態(tài)）傳輸?shù)娇山邮?a href="http://m.sdkjxy.cn/tags/時鐘/" target="_blank">時鐘數(shù)據(jù)的板外外設(shè)，可能的目標包括移位寄存器和 DAC 等 SPI 外設(shè)。信號與模擬端口連接器上的信號相同，但為時鐘數(shù)字形式，數(shù)據(jù)格式和時鐘細節(jié)可參考 QT9701B2 數(shù)據(jù)手冊。

9. Eeprom

93LC46A eeprom（插座式）包含 E97S 的設(shè)置和校準數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是非易失性的，可通過串口或克隆過程更改。若移除 eeprom，E97S 開發(fā)板將無法正常工作，eeprom 中的設(shè)置數(shù)據(jù)可恢復為“工廠默認值”。

10. BG 按鈕

控制傳感器背景電平的重新校準，是設(shè)置參考點和重新校準設(shè)備的主要控制按鈕。按下此按鈕通常會根據(jù)設(shè)置 2 中的參考偏移將信號及其參考電平重新居中。該按鈕的控制線也出現(xiàn)在主連接器上。

11. OBJ 按鈕

控制傳感器的“對象學習”點，在設(shè)備處于 BG/OBJ 或 OBJ 模式時設(shè)置檢測對象的觸發(fā)點。若未按下此按鈕，檢測點將由設(shè)置 0 中的閾值確定。該按鈕的控制線也出現(xiàn)在主連接器上。

12. 克隆輸入端口

用于連接“克隆適配器”，可將一個 E97S 開發(fā)板的功能設(shè)置克隆到另一個開發(fā)板、外部 eeprom 或 E2SR 板。QT9701B2 可通過此端口讀取設(shè)置信息并將數(shù)據(jù)編程到板載 eeprom 中。

13. 克隆輸出端口

可用于將 E97S 中的設(shè)置數(shù)據(jù)復制到其他 E97S 開發(fā)板或 QTM1001AS 模塊，克隆適配器的電纜插入此端口。

14. Cs（C11）電容

主采樣電容 Cs 位于開發(fā)板元件面的 C11 處。為滿足不同應(yīng)用需求，在頂部（C11C）和底部（C11A、C11B）還設(shè)有并聯(lián)的額外焊盤區(qū)域，可用于安裝不同類型和尺寸的電容。

15. RT/CT 傳輸定時部件

RT 和 CT（位于 eeprom 下方）是插座，可用于縮小 QT 采樣時間，適用于存在水膜問題的系統(tǒng)。通過限制水膜中存儲電荷返回采樣電容 C11 的時間，RT 和 CT 可增強防水能力?！罢！眰鬏敃r間與充電時間相同，可縮短至 200ns。通過在 RT 插入 470 至 4.7K 電阻，在 CT 插入 20pF 至 100pF 電容，可獲得各種傳輸時間，這些傳輸時間需借助示波器在 TP1（位于 eeprom 引腳 1 附近）進行調(diào)整，該電路可實現(xiàn)遠低于 50ns 的傳輸時間。

16. STAT LED

多功能指示燈，根據(jù)傳感器狀態(tài)輸出不同信號：

• 運行且未檢測到物體時，LED 以 10% 的占空比閃爍。
• 運行且檢測到物體時，LED 以 90% 的占空比閃爍（更亮）。
• 按下 BG 或 OBJ 按鈕時，LED 在按下期間熄滅。
• 若按下 BG 或 OBJ 按鈕超過 2 秒（請求更改校準模式），按鈕釋放后，LED 將持續(xù)點亮 0.5 秒，然后進入新的校準模式。
• 校準期間，LED 熄滅，通常校準時間不到 1 秒。
• 運行時檢測到感應(yīng)線短路，LED 將在短路期間持續(xù)點亮。
• 校準錯誤時，若輸出錯誤代碼功能 [E.a] 設(shè)置為“on”，LED 將輸出重復的錯誤代碼：
  • 單脈沖重復：CHG 接地短路
  • 雙脈沖重復：電容負載過大
  • 三脈沖重復：信號不穩(wěn)定，無法校準 設(shè)備會在每組“莫爾斯碼”信號之間反復嘗試校準。若 [E.a] 關(guān)閉，由于不向 LED 輸出 STAT 代碼，重新校準嘗試會更快。

    17. OUT LED

    反映 OUT 線的狀態(tài)，若“On”，OUT 線為高電平。注意，OUT 線的極性可使用設(shè)置“J”反轉(zhuǎn)。若設(shè)置為“Active Low”，檢測到物體時 LED 將熄滅。OUT 信號可通過配置設(shè)置“L”進行拉伸。

四、恢復工廠默認設(shè)置

E97S 的工廠默認設(shè)置如隨附的設(shè)置表所示，這些默認設(shè)置適用于一種寬松的操作模式，只需按下 BG 按鈕即可重新校準，并且可通過低波特率簡單連接到 PC?；謴凸S默認設(shè)置的步驟如下：

1. 關(guān)閉開發(fā)板電源。
2. 按住 BG 和 OBJ 按鈕。
3. 按住按鈕的同時重新接通電源，并繼續(xù)按住按鈕 3 秒鐘。
4. 釋放兩個按鈕。 此時開發(fā)板將處于工廠默認狀態(tài)，并以 9600 波特與主機 PC 通信。

五、使用提示

1. 利用 QTWinView 軟件

使用 QTWinView 觀察信號并設(shè)置傳感器，點擊“網(wǎng)格”中的項目可快速更改開發(fā)板上的設(shè)置。在雙擊矩陣單元格之前，務(wù)必加載“QT9701B2”設(shè)備的網(wǎng)格。通過雙擊單元格更改設(shè)置，使用“Save Grid”功能將自定義設(shè)置保存到磁盤上的設(shè)置文件中，甚至可在頂部按鈕欄創(chuàng)建新按鈕。

2. 關(guān)注信號關(guān)系

觀察信號、參考電平與閾值點之間的關(guān)系，這是理解傳感器在檢測、漂移補償和校準過程中行為的關(guān)鍵。

3. 大膽嘗試設(shè)置

不要害怕嘗試各種設(shè)置組合，即使犯錯也不會損壞開發(fā)板。若因設(shè)置錯誤導致開發(fā)板無法與 PC 通信，可使用上述“恢復工廠默認設(shè)置”方法將開發(fā)板恢復到初始狀態(tài)。

4. 確保機械穩(wěn)定性

在開發(fā)板下方使用橡膠腳或安裝在穩(wěn)定的物體上，保持電極穩(wěn)定，因為機械穩(wěn)定性對開發(fā)板本身很重要，松動的開發(fā)板可能導致難以解釋的小信號變化。

5. 參考數(shù)據(jù)手冊

QT9701B2 數(shù)據(jù)手冊包含大量有助于理解產(chǎn)品的信息，包括電路操作細節(jié)，本文僅提取了部分信息，建議工程師們仔細閱讀數(shù)據(jù)手冊。

六、故障排查

1. 無法與 PC 通信

• 串口連接問題：檢查或更換串口電纜。
• PC 通信端口問題：關(guān)閉可能使用相同通信端口、IRQ 或 I/O 地址的其他任務(wù)，或使用不同的 PC。
• E97S 波特率設(shè)置問題：將 E97S 恢復為工廠默認設(shè)置。
• 電源問題：恢復電源至正確范圍。

  2. LED 工作異常

• 設(shè)置模式錯誤：檢查或恢復設(shè)置，或按住 BG 按鈕 3 秒鐘。
• Eeprom 問題：檢查 eeprom 類型或確保 eeprom 已插入。
• 感應(yīng)線短路：恢復電源至正確范圍。

  3. 開發(fā)板無法校準

• 電容負載過大：減少突發(fā)長度或降低 Cx 負載。
• 感應(yīng)線短路：檢查感應(yīng)線連接。
• 電源電壓過低：恢復電源至正確范圍。
• 電容負載不穩(wěn)定：檢查電極或布線。
• 信號噪聲問題：
  • 電源噪聲：添加電源濾波電容，使用本地電源調(diào)節(jié)器。
  • 電極與電源線過近：調(diào)整電極位置。
  • OUT 線連接有噪聲負載：檢查 OUT 線連接。
  • 接地環(huán)路干擾：排查接地問題。
  • 來自發(fā)射器或相鄰數(shù)字產(chǎn)品的 RFI：在電極引線上添加串聯(lián)電阻，將開發(fā)板屏蔽在金屬盒中。
  • 信號濾波不足：增加中值和/或箱形濾波量。

E97S 開發(fā)板為電容檢測系統(tǒng)的開發(fā)提供了豐富的功能和便捷的操作方式。通過本文的介紹，相信各位工程師對 E97S 開發(fā)板有了更深入的了解。在實際使用過程中，若遇到問題，可參考本文的故障排查部分，或進一步查閱 QT9701B2 數(shù)據(jù)手冊。大家在使用 E97S 開發(fā)板的過程中，有沒有遇到過一些獨特的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。