摘要：針對目前低電壓等級的繼電保護以及測控裝置對數據采集的高精度、低成本的要求，提出一種多路同步數據采集系統的設計方案。該方案采用MPC8313為主控制器，CS5451A為模數轉換器，通過對CS5451A Master模式串口輸出時序以及FIFO讀寫時序的研究，在CPU和CS5451A之間設計了一個串并轉換模塊實現采樣數據的接收，數據接收后存入FIFO緩沖區，這樣解決了利用處理器SPI接口直接接收數據CPU占用率高的矛盾。
關鍵詞：FPGA；異步FIFO；模數轉換器；CS5451A

    繼電保護或者測控裝置都需要同步采集多路的電壓或者電流信號，現在一般的實現方式都是用多路逐次逼近型ADC(譬如AD7656或者ADS8-556)實現多路同步數據的采集，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，所以實現起來成本高、占用PCB面積大。本文提出一種使用CS5451A模數轉換芯片實現多路同步數據采集的實現方案，這種實現方式電路簡單、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芯片輸出數據速率低，處理器與ADC速度嚴重失配會大大占用CPU的開銷，本文提出一種利用XILINX可編程邏輯芯片FPGA實現異步FIFO和串并轉換模塊來實現采樣數據的接收的方法，串并轉換模塊只需要接收一幀數據，存到異步FIFO后，向CPU發出一個中斷信號，在中斷服務子程序中CPU讀走FIFO中的數據，這樣可以大幅度提高CPU的利用率，系統結構簡單，易于實現。

1 CS5451A概述以及電路的設計
    CS5451A是Cirrus Logie公司設計的一款高度集成的模數轉換芯片。在一個硅片上集成了6個△-∑A／D轉換器，6個數字濾波器和一個與微控制器或DSP相聯接的串行接口。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轉換器采用過采樣技術以及數字濾波器，所以簡化了ADC前級的抗混疊濾波器的設計。在本設計中抗混疊濾波器只設計了1階低通濾波器。CS5451A結構框圖如圖1所示。

    在本設計中CS5451A的配置如下：
    1)ADC電流通道增益設置為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，每一通道不再有區別，容易做成通用的模擬輸入設計。
    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絡產生一個最大為±800 mV的電壓信號，通過一介低通濾波器進入ADC芯片，CS5451A電路設計如圖2所示。
    3)使用內部1．2 V參考電源。
    4)時鐘輸入為4．096 MHz。
    5)數據輸出速率4．0 k還是2．0 k由CPU控制。

2 異步FIFO的設計
    本設計中所用的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FIFO等多個IP核。
    在XILINX ISE10．1集成開發工具下，很容易利用XININX免費IP核實現一個異步FIFO。異步FIFO是在兩個相互獨立的時鐘域下，數據在一個時鐘域寫入FIFO，而在另外一個時鐘域下又從該FIFO中將數據讀出。CS5451A控制系統框圖如圖3所示，異步FIFO和串并轉換模塊作為CPU和CS5451A之間的橋梁，由串并轉換模塊將ADC輸出的串行數據轉換成19位的并行數據(其中16位為數據，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幀數據便向CPU發出一個中斷信號，通知CPU讀取FIFO中的數據。

    異步FIFO IP核的參數指標直接影響FIFO的讀出速度，首先，FIFO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。其次，FIFO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雜，這樣將占用更多的資源。本設計中的異步FIFO是利用ISE10．1中的參數化的IP核在XC3S100E芯片的實現。由于1個CS5451A芯片共有6通道ADC，ADC的分辨率為16位，考慮到數據的可靠性，每一個ADC通道的數據包括通道號(占3位)，考慮到有的時候可能CPU不能及時的讀走數據，所以在參數化的FIFO設計中選擇FIFO深度為64，寬度為19位。

3 基于FPGA串并轉換模塊的設計
    CS5451A通過一個Master模式的串行接口輸出采樣數據，輸出數據通過SDO輸出，SCLK為輸出串行時鐘，CS5451A串行輸出時序圖如圖4所示，FSO是幀同步信號，表示一幀數據的開始，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，在本設計中，CPU初始化后把SE設置成高電平。正常情況下，FSO信號為低電平，當有一幀數據要輸出的時候，FSO信號變為高電平，高電平寬度為1個SCLK周期。當沒有數據輸出的時候，SCLK為低電平，FSO從高電平變為低電平后，SCLK時鐘信號有效，數據在上升沿輸出，SCLK共持續16x6個周期，數據串行輸出時，MSB最先輸出。

    由于SCLK頻率很低，在用CPU的SPI控制器接收數據的時候，CPU接收一位的時間為4tXINe=1μs，如圖5所示，一幀數據為96位，接收一幀數據大約為96μs的時間，如果用CPU通過異步FIFO讀取數據，因為現在的控制器總線速度很快，假設讀一個字節數據需要100 ns，讀走一幀數據大約需要100 ns×12=1．2μs(由于MPC8313總線寬度為16位，不能一次讀取19位數據，所以在讀取FIFO中數據的時候，把通道號鎖存到一個暫存寄存器中，讀取采樣數據后再讀取通道號，所以讀取一幀數據需要12次)。只有原來的大約1／80的時間，提高了CPU的利用效率。

4 中斷服務子程序的設計
    CPU讀采樣數據是在中斷服務子程序中設計的，在中斷程序中讀走采樣值數據，并判斷通道號是否對應。軟件流程如圖6所示。

5 結論
    本文利用CS5451A設計一個通用的多路數據采集系統，利用XILINX SPARTAN3E系列FPGA芯片實現異步FIFO和采樣數據串并轉換模塊的設計，CPU不用直接用SPI控制器接收CS5451A芯片輸出的串行格式的數據，只需要把ADC輸出的串行數據通過串并轉換模塊存入FIFO緩沖區，并產生一個中斷信號，在CPU的中斷子程序中讀出采樣數據。該方案已經在低壓繼電保護裝置中得到了應用，通過試驗本系統的數據采集精度可以達到0．2級。調試中發現，在進行PCB設計時，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)和數字部分(XIN、FSO、SDO、SCLK信號)應完全分開在不同的區域里。
    2)良好的去耦對抑制CS5451A產生的噪聲很重要，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，以達到良好的去耦效果。
    3)如果系統要求工作在-40～+85℃的溫度范圍內，要求采樣精度達到0．2級，必須使用外部高精度的參考電源。