一種多路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

   繼電保護(hù)或者測控裝置都需要同步采集多路的電壓或者電流信號，現(xiàn)在一般的實現(xiàn)方式都是用多路逐次逼近型ADC（譬如AD7656或者ADS8-556）實現(xiàn)多路同步數(shù)據(jù)的采集，這種方案采樣速度高、控制簡單，但是每一通道都需要基于運算放大器的抗混疊濾波器，所以實現(xiàn)起來成本高、占用PCB面積大。本文提出一種使用CS5451A模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)多路同步數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)方案，這種實現(xiàn)方式電路簡單、成本低。在本方案中，處理器選用的是飛思卡爾MPC8313處理器，主頻333 MHz。CS5451A如果用CPU直接控制，由于CS5451A芯片輸出數(shù)據(jù)速率低，處理器與ADC速度嚴(yán)重失配會大大占用CPU的開銷，本文提出一種利用XILINX可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA實現(xiàn)異步FIFO和串并轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的接收的方法，串并轉(zhuǎn)換模塊只需要接收一幀數(shù)據(jù)，存到異步FIFO后，向CPU發(fā)出一個中斷信號，在中斷服務(wù)子程序中CPU讀走FIFO中的數(shù)據(jù)，這樣可以大幅度提高CPU的利用率，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。

　　1 CS5451A概述以及電路的設(shè)計

　　CS5451A是Cirrus Logie公司設(shè)計的一款高度集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。在一個硅片上集成了6個△-∑A／D轉(zhuǎn)換器，6個數(shù)字濾波器和一個與微控制器或DSP相聯(lián)接的串行接口。CS5451A包括3個電壓測量通道、3個電流測量通道，它們的主要區(qū)別是3個電流測量通道的運算放大器的增益是可以更改的，可以設(shè)置成1倍或者20倍，而電壓通道的增益固定為1倍。由于△-∑A／D轉(zhuǎn)換器采用過采樣技術(shù)以及數(shù)字濾波器，所以簡化了ADC前級的抗混疊濾波器的設(shè)計。在本設(shè)計中抗混疊濾波器只設(shè)計了1階低通濾波器。CS5451A結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 CS5451A結(jié)構(gòu)框圖

　　在本設(shè)計中CS5451A的配置如下：

　　1）ADC電流通道增益設(shè)置為1倍增益，這樣，6個通道增益都為1，電流通道和電壓配置一樣，每一通道不再有區(qū)別，容易做成通用的模擬輸入設(shè)計。

　　2）最大輸入范圍為+20 V，互感器輸出的電壓信號通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個最大為±800 mV的電壓信號，通過一介低通濾波器進(jìn)入ADC芯片，CS5451A電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 CS5451A電路設(shè)計

　　3）使用內(nèi)部1.2 V參考電源。

　　4）時鐘輸入為4.096 MHz。

　　5）數(shù)據(jù)輸出速率4.0 k還是2.0 k由CPU控制。

　　2 異步FIFO的設(shè)計

　　本設(shè)計中所用的FPGA芯片是XILINX公司的XC3S100E，XC3S100E是XILINX SPARTAN3E系列一款最低容量的FPGA芯片，此系列FPGA利用90 nm工藝實現(xiàn)低成本高容量的需求，XC3S100E具有以下資源：

　　1）有2160個邏輯單元；

　　2）具有RAM資源87 kB（其中BLOCK RAM 72 kB，分布式RAM 15 kB）；

　　3）具有兩個DCM；

　　4）具有4個乘法器；

　　5）可以實現(xiàn)FIFO等多個IP核。

　　在XILINX ISE10.1集成開發(fā)工具下，很容易利用XININX免費IP核實現(xiàn)一個異步FIFO。異步FIFO是在兩個相互獨立的時鐘域下，數(shù)據(jù)在一個時鐘域?qū)懭隖IFO，而在另外一個時鐘域下又從該FIFO中將數(shù)據(jù)讀出。CS5451A控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，異步FIFO和串并轉(zhuǎn)換模塊作為CPU和CS5451A之間的橋梁，由串并轉(zhuǎn)換模塊將ADC輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成19位的并行數(shù)據(jù)（其中16位為數(shù)據(jù)，3位為采樣通道號0～5）寫入異步FIFO，這樣FIFO就成為CPU前端的一個緩沖器。每接收完成1幀數(shù)據(jù)便向CPU發(fā)出一個中斷信號，通知CPU讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。

圖3 CS5451A控制系統(tǒng)框圖

　　異步FIFO IP核的參數(shù)指標(biāo)直接影響FIFO的讀出速度，首先，F(xiàn)IFO的讀出速度快能夠減少CPU的開銷，這樣CPU可以有更多的時間干實時性更高的任務(wù)。其次，F(xiàn)IFO的存儲深度要適宜，深度過大造成資源的浪費，深度過小會造成控制復(fù)雜，這樣將占用更多的資源。本設(shè)計中的異步FIFO是利用ISE10.1中的參數(shù)化的IP核在XC3S100E芯片的實現(xiàn)。由于1個CS5451A芯片共有6通道ADC，ADC的分辨率為16位，考慮到數(shù)據(jù)的可靠性，每一個ADC通道的數(shù)據(jù)包括通道號（占3位），考慮到有的時候可能CPU不能及時的讀走數(shù)據(jù)，所以在參數(shù)化的FIFO設(shè)計中選擇FIFO深度為64，寬度為19位。

　　3 基于FPGA串并轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計

　　CS5451A通過一個Master模式的串行接口輸出采樣數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)通過SDO輸出，SCLK為輸出串行時鐘，CS5451A串行輸出時序圖如圖4所示，F(xiàn)SO是幀同步信號，表示一幀數(shù)據(jù)的開始，如果SE信號為高電平，這3個信號就有效，如果為低電平，3個信號都為高阻狀態(tài)，在本設(shè)計中，CPU初始化后把SE設(shè)置成高電平。正常情況下，F(xiàn)SO信號為低電平，當(dāng)有一幀數(shù)據(jù)要輸出的時候，F(xiàn)SO信號變?yōu)楦唠娖剑唠娖綄挾葹?個SCLK周期。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)輸出的時候，SCLK為低電平，F(xiàn)SO從高電平變?yōu)榈碗娖胶?，SCLK時鐘信號有效，數(shù)據(jù)在上升沿輸出，SCLK共持續(xù)16x6個周期，數(shù)據(jù)串行輸出時，MSB最先輸出。

圖4 CS5451A串行輸出時序圖

由于SCLK頻率很低，在用CPU的SPI控制器接收數(shù)據(jù)的時候，CPU接收一位的時間為4tXINe=1μs，如圖5所示，一幀數(shù)據(jù)為96位，接收一幀數(shù)據(jù)大約為96μs的時間，如果用CPU通過異步FIFO讀取數(shù)據(jù)，因為現(xiàn)在的控制器總線速度很快，假設(shè)讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)需要100 ns，讀走一幀數(shù)據(jù)大約需要100 ns×12=1.2μs（由于MPC8313總線寬度為16位，不能一次讀取19位數(shù)據(jù)，所以在讀取FIFO中數(shù)據(jù)的時候，把通道號鎖存到一個暫存寄存器中，讀取采樣數(shù)據(jù)后再讀取通道號，所以讀取一幀數(shù)據(jù)需要12次）。只有原來的大約1／80的時間，提高了CPU的利用效率。
 

圖5 CS5451A一幀數(shù)據(jù)輸出圖

圖5 CS5451A一幀數(shù)據(jù)輸出圖

　　4 中斷服務(wù)子程序的設(shè)計

　　CPU讀采樣數(shù)據(jù)是在中斷服務(wù)子程序中設(shè)計的，在中斷程序中讀走采樣值數(shù)據(jù)，并判斷通道號是否對應(yīng)。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

　　5 結(jié)論

　　本文利用CS5451A設(shè)計一個通用的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用XILINX SPARTAN3E系列FPGA芯片實現(xiàn)異步FIFO和采樣數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計，CPU不用直接用SPI控制器接收CS5451A芯片輸出的串行格式的數(shù)據(jù)，只需要把ADC輸出的串行數(shù)據(jù)通過串并轉(zhuǎn)換模塊存入FIFO緩沖區(qū)，并產(chǎn)生一個中斷信號，在CPU的中斷子程序中讀出采樣數(shù)據(jù)。該方案已經(jīng)在低壓繼電保護(hù)裝置中得到了應(yīng)用，通過試驗本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度可以達(dá)到0.2級。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行PCB設(shè)計時，要注意以下幾點：

　　1）模擬部分電路（差分輸入以及參考電源部分）和數(shù)字部分（XIN、FSO、SDO、SCLK信號）應(yīng)完全分開在不同的區(qū)域里。

　　2）良好的去耦對抑制CS5451A產(chǎn)生的噪聲很重要，去耦電容一般為0.1 μF，且放到電源輸入引腳盡可能近的地方，以達(dá)到良好的去耦效果。

　　3）如果系統(tǒng)要求工作在-40～+85℃的溫度范圍內(nèi)，要求采樣精度達(dá)到0.2級，必須使用外部高精度的參考電源。