ООО «ИКАППИК»: Разработка прецизионного усилителя пикоамперных токов с переключаемыми цифровыми обратными связями

Цель проекта:
Целью проекта является доработка уже существующего у Компании прецизионного модуля измерителя малых (пикоамперных) токов и его совмещение с микроконтроллером К1921ВГ015 с целью оптимизации текущего решения, а также с целью создания полностью независимого самостоятельного устройства.

Описание задачи:

В рамках проекта стояла задача разработки печатной платы предполагаемого устройства (за исключением микроконтроллера, который подключался к печатной плате по проводам), разработка ПО для микроконтроллера по взаимодействию с ПК пользователя. МК должен осуществлять считывание команд пользователя, и на их основании осуществлять переключение обратных связей усилителя, для попадания измеряемого тока в диапазон работы усилителя.

Разрабатываемое устройство предназначено для измерения малых электрических сигналов (ионного тока в диапазоне от десятков пикоампер до сотен наноампер) и применяется в Сканирующей ион-проводящей микроскопии (СИПМ) для построения обратной связи сканирующей системы.

Необходимо отметить, что разрабатываемое в рамках проекта устройство не является самостоятельным, и на данный момент применяется как один из модулей для Сканирующей ион-проводящей микроскопии. Однако, в дальнейшем, с развитием проекта, планируется создание серии независимых устройств, обладающими полной функциональной частью для сбора и анализа малых электрических сигналов.

Ключевые особенности реализации:

1. Используемый микроконтроллер:
   • К1921ВГ015
2. Алгоритмы/программное обеспечение:

МК принимает данные пользователя по UART, схематическое изображение пакета данных показано на рисунке 1.

Рисунок 1 — Структура пакета передаваемых данных

После приема пакета и идентификации выполняемой команды МК приступает к выполнению команды. На данном этапе выполнения проекта единственной функцией, которую выполняет МК является переключение цифровых обратных связей усилителя, а также управление ЦАП по протоколу SPI с целью генерации подаваемого напряжения в систему.

На рисунке 2 представлена блок-схема взаимодействия основных частей устройства, разрабатываемого в рамках данного проекта.

Рисунок 2 — Блок-схема взаимодействия основных частей устройства

В зависимости от команды пользователя устройство осуществляет переключение между каналами обратной связи усилителя, путем выставления логического уровня на соответствующей ножки мультиплексора, который, в свою очередь, включает необходимую цепь обратной связи операционного усилителя (ОУ). Также МК производит передачу данных по SPI на блок ЦАП для подачи напряжения в систему через ОУ.

На дальнейших этапах разработки проекта планируется использование АЦП для считывания текущего измеряемого значения тока, с целью автоматической идентификации подключенного устройства.

3. Аппаратная часть:

В данном проекте была создана с нуля печатная плата, на которую были помещены прецизионные дифференциальные операционные усилители INA2133, 4-х канальные мультиплексоры ADG1204, а также ЦАП преобразователи DAC8571, на плате также расположен МК STM32F103C8T6. МК К1921ВГ015 подключается к плате через специализированные разъемы. На дальнейших этапах выполнения проекта (при переходе к самостоятельному изделию) планируется использование дисплеев серии Nextion (как пример – NX4832K035)

4. Образовательный или промышленный контекст:

Проект был частью учебного процесса с дальнейшими перспективами внедрения в продукты компании, занимающейся разработкой и производством наноаналитических инструментов.

Результаты:

• В результате выполнения проекта было разработано устройство, осуществляющее весь необходимый функционал для работы модуля прецизионного усилителя тока. Была достигнута высокая скорость работы устройства, а также его частичная независимость от основных компонентов СИПМ.

Выводы:

• Проект имеет большую значимость для российского рынка научной продукции: на данный момент наблюдается большой дефицит микроэлектронных компонентов российских производителей, при этом время доставки зарубежных компонентов слишком велико, что затрудняет производство научного оборудования от российских компаний. Микроконтроллер К1921ВГ015 не уступает по своим характеристикам зарубежным аналогам, а его доступность позволяет применять его во многих проектах.
• Проект выполняемый ООО «ИКАППИК» позволил разработать устройство для измерения малых значений токов с высокой точностью. МК К1921ВГ015 позволил с лёгкостью осуществить переключение обратных связей усилителя, а также точный контроль подаваемого напряжения, что значительно облегчает работу со сложным научно-техническим оборудованием, таким как СИПМ. Благодаря МК К1921ВГ015 у нашей компании есть возможность создания независимого модуля прецизионного сбора/оцифровки данных с графическим интерфейсом пользователя. Мы как компания намерены и дальше применять МК К1921ВГ015 в разработке научно-технического оборудования.

Перспективы:

• Дальнейшими шагами развития проекта является разработка печатной платы устройства непосредственно для МК К1921ВГ015, добавление функции считывания измеряемого тока и автоматической идентификации устройства, а также создание первой партии тестовой продукции с целью дальнейшего выхода устройства на рынок.

ООО «ИКАППИК» является участником инновационного центра «Сколково», в рамках выполнения НИР и проектов, поддерживаемых центром «Сколково», Фондом Содействия Инноваций, компания успешно разработала и поставила широкий спектр оборудования для высокоточного детектирования малых по амплитуде сигналов, сканирующих ион-проводящих микроскопов и систем на их основе, прецизионного аналитического оборудования. Компания включена в список малых технологических компаний (МТК), является инновационной аккредитованной ИТ-компанией, чье программное обеспечение зарегистрировано в Реестре российского программного обеспечения (реестровая запись №20092 от 27.11.2023).

ИКАППИК имеет ряд успешно выполненных НИР. Разрабатываемые компанией аппаратно-программные комплексы на основе сканирующей ион-проводящей микроскопии, а также высокопрецизионной системы подачи давления, разработанной в рамках проекта, поддержанного Фондом «Техно-Старт 1» активно применяются и пользуются спросом в научно-исследовательских центрах и лабораториях («Договор №11/2022» от 14 ноября 2022 г., «договор №767-1395.ЕП/22» от 28 сентября 2022 г., «договор №20220518-1» от 18 мая 2022., «договор №20222206-1» от 22 июня 2022 г, «договор №20211221-1» от 10 апреля 2023г), в медицинской отрасли (договор поставки №03042023 от 03.04.2023), а также в ракетостроительной отрасли («Меморандум о намерениях в рамках сотрудничества по проекту Российской орбитальной станции между ООО «ИКАППИК» и ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева»» от 1 октября 2023г., ). Существующие публикации по теме сверхточной детекции малых количеств белков, а также по теме сканирующей ион-проводящей микроскопии высокого разрешения, показывают потенциал компании в области цифровой электроники и точной детекции малых по амплитуде низкочастотных сигналов.

Основными потребителями продукции компании являются научно-технические центры, научно-исследовательские лаборатории, университеты, а также больницы и медицинские центры.

Изображения/схемы:
На рисунке 3 показан общий вид разработанного устройства. Устройство состоит из 3 основных модулей:

1. Отладочная плата на базе МК К1921ВГ015
   1. Основная печатная плата устройства, содержащая в себе ОУ, мультиплексоры, ЦАП, а также МК STM32F103C8T6, который в дальнейшем планируется заменить на МК К1921ВГ015
   1. Головка предусилителя, отвечающая за предварительное усиление сигнала, и его передачу на основную печатную плату МК.

Рисунок 3 – Общий вид разработанного устройства

На рисунке 4 показана основная печатная плата разработанного устройства, она включает в себя все необходимые компоненты для осуществления контроля подаваемого напряжения, а также для переключения обратных связей усилителя. Плата поддерживает прямое подключение через USB, а также имеет два аналоговых выхода через BNC коннекторы. Диапазоны выходных напряжений ± 10 В.

Рисунок 4 — Основная печатная плата устройства

На рисунке 5 показана предусилительная головка, отвечающая за предварительное усиление сигнала ионного тока, с его дальнейшей передачей на основную плату устройства. Модуль оборудован корпусом, распечатанным на 3D принтере, и имеет входной высокочастотный SMA разъем.

Рисунок 5 – Предусилительная головка

На данный момент ведутся работы по созданию новой печатной платы устройства, с основным логическим компонентом – МК К1921ВГ015, с предусмотренной возможностью измерения напряжения на выходе ОУ, а также полной независимостью от прочих модулей СИПМ. Такая конфигурация позволит создать полностью автономное устройство для сбора/оцифровки малоамплитудных данных.