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基于CS5451A多路同步数据采集系统设计

发布时间:2020-07-01 01:28:11 阅读: 来源:羊毛球厂家

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。

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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。

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