基于CS5451A多路同步数据采集系统设计

摘要：针对目前低电压等级的继电保护以及测控装置对数据采集的高精度、低成本的要求，提出一种多路同步数据采集系统的设计方案。该方案采用MPC8313为主控制器，CS5451A为模数转换器，通过对CS5451A Master模式串口输出时序以及FIFO读写时序的研究，在CPU和CS5451A之间设计了一个串并转换模块实现采样数据的接收，数据接收后存入FIFO缓冲区，这样解决了利用处理器SPI接口直接接收数据CPU占用率高的矛盾。
关键词：FPGA；异步FIFO；模数转换器；CS5451A

    继电保护或者测控装置都需要同步采集多路的电压或者电流信号，现在一般的实现方式都是用多路逐次逼近型ADC(譬如AD7656或者ADS8-556)实现多路同步数据的采集，这种方案采样速度高、控制简单，但是每一通道都需要基于运算放大器的抗混叠滤波器，所以实现起来成本高、占用PCB面积大。本文提出一种使用CS5451A模数转换芯片实现多路同步数据采集的实现方案，这种实现方式电路简单、成本低。在本方案中，处理器选用的是飞思卡尔MPC8313处理器，主频333 MHz。CS5451A如果用CPU直接控制，由于CS5451A芯片输出数据速率低，处理器与ADC速度严重失配会大大占用CPU的开销，本文提出一种利用XILINX可编程逻辑芯片FPGA实现异步FIFO和串并转换模块来实现采样数据的接收的方法，串并转换模块只需要接收一帧数据，存到异步FIFO后，向CPU发出一个中断信号，在中断服务子程序中CPU读走FIFO中的数据，这样可以大幅度提高CPU的利用率，系统结构简单，易于实现。

1 CS5451A概述以及电路的设计
    CS5451A是Cirrus Logie公司设计的一款高度集成的模数转换芯片。在一个硅片上集成了6个△-∑A／D转换器，6个数字滤波器和一个与微控制器或DSP相联接的串行接口。CS5451A包括3个电压测量通道、3个电流测量通道，它们的主要区别是3个电流测量通道的运算放大器的增益是可以更改的，可以设置成1倍或者20倍，而电压通道的增益固定为1倍。由于△-∑A／D转换器采用过采样技术以及数字滤波器，所以简化了ADC前级的抗混叠滤波器的设计。在本设计中抗混叠滤波器只设计了1阶低通滤波器。CS5451A结构框图如图1所示。

    在本设计中CS5451A的配置如下：
    1)ADC电流通道增益设置为1倍增益，这样，6个通道增益都为1，电流通道和电压配置一样，每一通道不再有区别，容易做成通用的模拟输入设计。
    2)最大输入范围为+20 V，互感器输出的电压信号通过电阻分压网络产生一个最大为±800 mV的电压信号，通过一介低通滤波器进入ADC芯片，CS5451A电路设计如图2所示。
    3)使用内部1．2 V参考电源。
    4)时钟输入为4．096 MHz。
    5)数据输出速率4．0 k还是2．0 k由CPU控制。

2 异步FIFO的设计
    本设计中所用的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工艺实现低成本高容量的需求，XC3S100E具有以下资源：
    1)有2160个逻辑单元；
    2)具有RAM资源87 kB(其中BLOCK RAM 72 kB，分布式RAM 15 kB)；
    3)具有两个DCM；
    4)具有4个乘法器；
    5)可以实现FIFO等多个IP核。
    在XILINX ISE10．1集成开发工具下，很容易利用XININX免费IP核实现一个异步FIFO。异步FIFO是在两个相互独立的时钟域下，数据在一个时钟域写入FIFO，而在另外一个时钟域下又从该FIFO中将数据读出。CS5451A控制系统框图如图3所示，异步FIFO和串并转换模块作为CPU和CS5451A之间的桥梁，由串并转换模块将ADC输出的串行数据转换成19位的并行数据(其中16位为数据，3位为采样通道号0～5)写入异步FIFO，这样FIFO就成为CPU前端的一个缓冲器。每接收完成1帧数据便向CPU发出一个中断信号，通知CPU读取FIFO中的数据。

    异步FIFO IP核的参数指标直接影响FIFO的读出速度，首先，FIFO的读出速度快能够减少CPU的开销，这样CPU可以有更多的时间干实时性更高的任务。其次，FIFO的存储深度要适宜，深度过大造成资源的浪费，深度过小会造成控制复杂，这样将占用更多的资源。本设计中的异步FIFO是利用ISE10．1中的参数化的IP核在XC3S100E芯片的实现。由于1个CS5451A芯片共有6通道ADC，ADC的分辨率为16位，考虑到数据的可靠性，每一个ADC通道的数据包括通道号(占3位)，考虑到有的时候可能CPU不能及时的读走数据，所以在参数化的FIFO设计中选择FIFO深度为64，宽度为19位。

3 基于FPGA串并转换模块的设计
    CS5451A通过一个Master模式的串行接口输出采样数据，输出数据通过SDO输出，SCLK为输出串行时钟，CS5451A串行输出时序图如图4所示，FSO是帧同步信号，表示一帧数据的开始，如果SE信号为高电平，这3个信号就有效，如果为低电平，3个信号都为高阻状态，在本设计中，CPU初始化后把SE设置成高电平。正常情况下，FSO信号为低电平，当有一帧数据要输出的时候，FSO信号变为高电平，高电平宽度为1个SCLK周期。当没有数据输出的时候，SCLK为低电平，FSO从高电平变为低电平后，SCLK时钟信号有效，数据在上升沿输出，SCLK共持续16x6个周期，数据串行输出时，MSB最先输出。

    由于SCLK频率很低，在用CPU的SPI控制器接收数据的时候，CPU接收一位的时间为4tXINe=1μs，如图5所示，一帧数据为96位，接收一帧数据大约为96μs的时间，如果用CPU通过异步FIFO读取数据，因为现在的控制器总线速度很快，假设读一个字节数据需要100 ns，读走一帧数据大约需要100 ns×12=1．2μs(由于MPC8313总线宽度为16位，不能一次读取19位数据，所以在读取FIFO中数据的时候，把通道号锁存到一个暂存寄存器中，读取采样数据后再读取通道号，所以读取一帧数据需要12次)。只有原来的大约1／80的时间，提高了CPU的利用效率。

4 中断服务子程序的设计
    CPU读采样数据是在中断服务子程序中设计的，在中断程序中读走采样值数据，并判断通道号是否对应。软件流程如图6所示。

5 结论
    本文利用CS5451A设计一个通用的多路数据采集系统，利用XILINX SPARTAN3E系列FPGA芯片实现异步FIFO和采样数据串并转换模块的设计，CPU不用直接用SPI控制器接收CS5451A芯片输出的串行格式的数据，只需要把ADC输出的串行数据通过串并转换模块存入FIFO缓冲区，并产生一个中断信号，在CPU的中断子程序中读出采样数据。该方案已经在低压继电保护装置中得到了应用，通过试验本系统的数据采集精度可以达到0．2级。调试中发现，在进行PCB设计时，要注意以下几点：
    1)模拟部分电路(差分输入以及参考电源部分)和数字部分(XIN、FSO、SDO、SCLK信号)应完全分开在不同的区域里。
    2)良好的去耦对抑制CS5451A产生的噪声很重要，去耦电容一般为0．1 μF，且放到电源输入引脚尽可能近的地方，以达到良好的去耦效果。
    3)如果系统要求工作在-40～+85℃的温度范围内，要求采样精度达到0．2级，必须使用外部高精度的参考电源。