基于CS5321與CS5322的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

引 言
    ∑一△A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)以其高分辨率和大的動(dòng)態(tài)范圍在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用：但∑一△A/D轉(zhuǎn)換器通常采用串行傳輸，因此由它實(shí)現(xiàn)的采集系統(tǒng)大多包含串并轉(zhuǎn)換單元。為了達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡化，降低系統(tǒng)成本的目的，探討一種直接用串行傳輸?shù)亩嗤ǖ罃?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法十分有必要。
    采用∑一△A/D有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一是∑一△A/D轉(zhuǎn)換器的前端無需設(shè)置大陡度的抗混疊模擬濾波器，也無需設(shè)置采樣保持電路；其次，由于∑一△A/D可直接對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍的模擬信號(hào)進(jìn)行高精度的轉(zhuǎn)換，無需加上程控放大器；最后，由于∑一△A/D一般都采用串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)脑?，接口電路將?huì)非常簡潔。
    CS5321和CS5322分別是∑一△調(diào)制器和可編程多級(jí)FIR線性相位數(shù)字抽取濾波器。二者結(jié)合，可得到24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器
系統(tǒng)，它們的接口電路如圖1所示。CS5321的工作頻帶為O～1500 Hz，可輸出兩種不同速率的過抽樣1位∑一△位流。CS5322是為CS5321設(shè)計(jì)的專用數(shù)字抽取濾波器，它是一個(gè)抽樣率可變的3級(jí)抽取數(shù)字濾波器，通過對(duì)它的DECC、DECB、DECA三個(gè)控制位編程可以得到4 kHz、2 kHz、1 kHz、500 Hz、250 Hz、125 Hz、62.5 Hz 七種不同的輸出抽取率，輸出的字長為24位，并且在串行口讀工作方式下以位流的形式從CS5322的SOD引腳輸出。 
    根據(jù)CS5321和CS5322的這些特點(diǎn)，在選擇系統(tǒng)的中央處理及控制單元的時(shí)候，最好選擇字長為32位的帶有串行口的DSP或其他的微處理器。

1 系統(tǒng)的總體接口
    基于以上介紹及整個(gè)系統(tǒng)采用串行傳輸?shù)目紤]，采集系統(tǒng)的總體接口框圖如圖2所示。

    由圖1可見，多通道模擬信號(hào)先經(jīng)過前置放大器送到各自的∑一△A/D轉(zhuǎn)換器，得到的多通道數(shù)字信號(hào)在多路控制電路的作用下，通過串行口傳輸?shù)街醒胩幚砜刂茊卧?，?jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗罂梢运腿氪鎯?chǔ)器中存儲(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于多通道的串行口接口設(shè)計(jì)，下面予以介紹。

2 多通道串行接口的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)
    由前面介紹可知，CS5322輸出為24位串行比特流，只需要加入少量的多路控制邏輯，就能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的A/D轉(zhuǎn)換器與DSP的直接連接，幾乎不需要加入其他的任何接口邏輯電路。下面從分析∑一△A/D轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序開始，詳細(xì)介紹該采集系統(tǒng)的原理及具體實(shí)現(xiàn)。
2.1 ∑一△A/D轉(zhuǎn)換器的串口讀操作時(shí)序
    由CS5321/CS5322組成的∑一△A/D轉(zhuǎn)換器的串行口讀操作時(shí)序如圖3所示。

    當(dāng)CS5321/CS5322的輸入時(shí)鐘(CLKIN)為1 MHz時(shí)，調(diào)制器(CS5321)輸出速率為256 Kb/s的串行抽樣比特流。通過對(duì)CS5322的抽取率控制位(DECC、DECB、DECA)的不同賦值，可以產(chǎn)生7種不同的輸出字率(即采樣頻率)，字長為24位。CS5322的初始化可以通過軟件編程，也可以通過硬件直接置位完成。具體采用哪種方法，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要來選擇。
    CS5322 的 DRDY為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)引腳。當(dāng)DRDY為高電平時(shí)，表示CS5321/CS5322組成的∑一△A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)進(jìn)行完一次轉(zhuǎn)換，并已由CS5322將數(shù)據(jù)在其輸出緩沖器中準(zhǔn)備好，數(shù)據(jù)可以從串行口輸出。CS5322中讀操作控制插針有CS、R/W、SCLK、SOD。當(dāng)CS=O且R/W=1時(shí)，串行口處于讀操作有效。RSEL引腳用來選擇串口輸出的是數(shù)據(jù)緩沖器，還是狀態(tài)緩沖器的數(shù)據(jù)，SOD為串行數(shù)據(jù)輸出插針。當(dāng)讀狀態(tài)被選擇后，不管SCLK是高電平還是低電平，第一位輸出數(shù)據(jù)都會(huì)在SOD插針出現(xiàn)，并且在SCLK的下降沿終止。第一個(gè)SCLK下降沿后，每一個(gè)SCLK的上升沿從SOD引腳輸出一位數(shù)據(jù)。輸出的位流順序?yàn)楦呶?MSB)在前低位(LSB)在后。
2．2 多通道串行接口的原理
    通過以上對(duì)CS5322的串行讀操作時(shí)序的分析，可以得到利用CS5321/CS5322實(shí)現(xiàn)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳統(tǒng)方案。以M通道為例，系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

    在由CS5321/CS5322組成的∑一△A/D轉(zhuǎn)換器的多通道采集系統(tǒng)中，傳統(tǒng)方案如圖4所示。通過控制器輪流接通各道的DRDY信號(hào)，在DRDY為高電平時(shí)各道輪流從SOD引腳將數(shù)據(jù)輸出到控制器。由CS5321/CS5322所組成的∑一△A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率，由DECC、DECB、DECA三位設(shè)定，可以為62．5 Hz～4 kHz等7種。對(duì)應(yīng)每一種采樣率，所要求的移位時(shí)鐘(SCLK)的最低頻率fmin=fs×24(fs為采樣率)。在典型用法中，只需要根據(jù)采樣率要求設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)鐘源，使它的頻率略高于，fmin即可。時(shí)序示意如圖5所示。
2.3 對(duì)傳統(tǒng)方案的改進(jìn)
    按照上述方案，雖然可以完成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但是用這種方案設(shè)計(jì)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成一次多道數(shù)據(jù)采集傳送的周期(T=m×24/fs)很長，特別是圖5 傳統(tǒng)方案的多通道數(shù)據(jù)采集時(shí)序示意圖隨著m的增大，即通道數(shù)的增加，T將成倍增加。
    通過對(duì)CS5321/CS5322的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CS5322對(duì)SCLK要求的最小周期可以為100 ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法所采用的移位時(shí)鐘頻率。因此，可以通過加快串行移位時(shí)鐘(SCLK)來加快讀出數(shù)據(jù)的速率，從而實(shí)現(xiàn)在一個(gè)采樣周期內(nèi)讀出多道的數(shù)據(jù)。假設(shè)SCLK的頻率為fb，則每道的24位的數(shù)據(jù)需要的移位時(shí)間為tm=24/fb，又采樣周期為Ts=1/fs(fs可以為62.5 Hz、125 Hz、
250 Hz、500 Hz，1 kHz、2 kHz、4 kHz)，fb的最大值可以達(dá)到10 MHz，只要適當(dāng)提高fb就可以使tm《Ts，這樣在一個(gè)采樣周期里最多可以完成Ts/tm道數(shù)據(jù)傳送，大大地提高了多通道數(shù)據(jù)采集傳送的速度。例如，當(dāng)fs=1 kHz，fb=1 MHz，則由以上分析可知，理論上一個(gè)采樣周期里最多可以傳送42個(gè)通道的串行數(shù)據(jù)?？紤]到器件延時(shí)等多種因素，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)比此理論值小。
    改進(jìn)后的連線框圖，是在圖4的基礎(chǔ)上去掉虛線部分，直接將第一通道的DRDY與FSR相連即可。改進(jìn)方圖6 改進(jìn)方案的多道數(shù)據(jù)采集時(shí)序示意圖改進(jìn)后的多路∑一△A/D轉(zhuǎn)換器同時(shí)進(jìn)行卷積運(yùn)算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并幾乎同時(shí)產(chǎn)生DRDY信號(hào)，但只有第一道的DRDY信號(hào)接到控制器的幀同步引腳(FSR)，來觸發(fā)處理器的串口接收1幀數(shù)據(jù)。各通道的片選CSl、CS2……CSm由控制器在一個(gè)采樣周期里依次選中，各通道的SOD引腳都直接連接到控制器的DR引腳，整個(gè)系統(tǒng)的移位時(shí)鐘可以由外部時(shí)鐘源提供，也可以由控制器產(chǎn)生。

    整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程如下：①初始化，啟動(dòng)A/D。②將A/D轉(zhuǎn)換器的R/W置高電平，并設(shè)置采樣率。③當(dāng)DRDY變?yōu)楦唠娖剑瑫r(shí)使CSl有效，開始第一道數(shù)據(jù)采集；當(dāng)24位數(shù)據(jù)全部接收完畢，第一道完成，使CS2有效，開始第二道采集，依次完成M道數(shù)據(jù)采集。④將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并處理。
結(jié) 語
    目前，基于CS5321與CS5322的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在石油勘探、地震數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。與其他具有相應(yīng)用途的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的采集速率更快，精度更高，實(shí)時(shí)性更好。本文介紹的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想有一定的通用性，并且對(duì)傳統(tǒng)方案作了一些改進(jìn)，可以進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的采集速率。