基于CS5451A多路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對目前低電壓等級(jí)的繼電保護(hù)以及測控裝置對數(shù)據(jù)采集的高精度、低成本的要求，提出一種多路同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案采用MPC8313為主控制器，CS5451A為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過對CS5451A Master模式串口輸出時(shí)序以及FIFO讀寫時(shí)序的研究，在CPU和CS5451A之間設(shè)計(jì)了一個(gè)串并轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)接收后存入FIFO緩沖區(qū)，這樣解決了利用處理器SPI接口直接接收數(shù)據(jù)CPU占用率高的矛盾。
關(guān)鍵詞：FPGA；異步FIFO；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；CS5451A

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(hào)，現(xiàn)在一般的實(shí)現(xiàn)方式都是用多路逐次逼近型ADC(譬如AD7656或者ADS8-556)實(shí)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(yùn)算放大器的抗混疊濾波器，所以實(shí)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(shí)現(xiàn)多路同步數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)方案，這種實(shí)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(huì)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(shí)現(xiàn)異步FIFO和串并轉(zhuǎn)換模塊來實(shí)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(gè)中斷信號(hào)，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(shí)現(xiàn)。

1 CS5451A概述以及電路的設(shè)計(jì)
CS5451A是Cirrus Logie公司設(shè)計(jì)的一款高度集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。在一個(gè)硅片上集成了6個(gè)△-∑A／D轉(zhuǎn)換器，6個(gè)數(shù)字濾波器和一個(gè)與微控制器或DSP相聯(lián)接的串行接口。CS5451A包括3個(gè)電壓測量通道、3個(gè)電流測量通道，它們的主要區(qū)別是3個(gè)電流測量通道的運(yùn)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(jí)的抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中抗混疊濾波器只設(shè)計(jì)了1階低通濾波器。CS5451A結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在本設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)。
2)最大輸入范圍為+20 V，互感器輸出的電壓信號(hào)通過電阻分壓網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)最大為±800 mV的電壓信號(hào)，通過一介低通濾波器進(jìn)入ADC芯片，CS5451A電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
3)使用內(nèi)部1．2 V參考電源。
4)時(shí)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。