一种多路同步数据采集系统的设计

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图4 CS5451A串行输出时序图

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。

图5 CS5451A一帧数据输出图

图5 CS5451A一帧数据输出图

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。

图6 软件流程图

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。