引 言
∑一△A/D轉換技術以其高分辨率和大的動態(tài)范圍在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到了廣泛應用：但∑一△A/D轉換器通常采用串行傳輸,，因此由它實現(xiàn)的采集系統(tǒng)大多包含串并轉換單元,。為了達到系統(tǒng)設計簡化，降低系統(tǒng)成本的目的,，探討一種直接用串行傳輸?shù)亩嗤ǖ罃?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法十分有必要,。
采用∑一△A/D有三個優(yōu)點：第一是∑一△A/D轉換器的前端無需設置大陡度的抗混疊模擬濾波器，也無需設置采樣保持電路,；其次,，由于∑一△A/D可直接對大動態(tài)范圍的模擬信號進行高精度的轉換，無需加上程控放大器,；最后,，由于∑一△A/D一般都采用串行方式進行數(shù)據(jù)傳輸，如果系統(tǒng)設計得當?shù)脑?，接口電路將會非常簡潔?/p>
CS5321和CS5322分別是∑一△調制器和可編程多級FIR線性相位數(shù)字抽取濾波器,。二者結合，可得到24位高精度A/D轉換器
系統(tǒng),，它們的接口電路如圖1所示,。CS532
1的工作頻帶為O～1500 Hz，可輸出兩種不同速率的過抽樣1位∑一△位流,。CS5322是為CS5321設計的專用數(shù)字抽取濾波器,，它是一個抽樣率可變的3級抽取數(shù)字濾波器，通過對它的DECC,、DECB,、DECA三個控制位編程可以得到4 kHz、2 kHz,、1 kHz、500 Hz,、250 Hz,、125 Hz、62.5 Hz 七種不同的輸出抽取率,，輸出的字長為24位,，并且在串行口讀工作方式下以位流的形式從CS5322的SOD引腳輸出。
根據(jù)CS5321和CS5322的這些特點,，在選擇系統(tǒng)的中央處理及控制單元的時候,，最好選擇字長為32位的帶有串行口的DSP或其他的微處理器,。
1 系統(tǒng)的總體接口
基于以上介紹及整個系統(tǒng)采用串行傳輸?shù)目紤]，采集系統(tǒng)的總體接口框圖如圖2所示,。
由圖1可見,，多通道模擬信號先經過前置放大器送到各自的∑一△A/D轉換器，得到的多通道數(shù)字信號在多路控制電路的作用下,，通過串行口傳輸?shù)街醒胩幚砜刂茊卧?，經過適當?shù)奶幚砗罂梢运腿氪鎯ζ髦写鎯ΑＵ麄€系統(tǒng)設計的關鍵在于多通道的串行口接口設計,，下面予以介紹,。
2 多通道串行接口的設計原理與實現(xiàn)
由前面介紹可知，CS5322輸出為24位串行比特流,，只需要加入少量的多路控制邏輯,，就能夠實現(xiàn)多通道的A/D轉換器與DSP的直接連接，幾乎不需要加入其他的任何接口邏輯電路,。下面從分析∑一△A/D轉換器的工作時序開始,，詳細介紹該采集系統(tǒng)的原理及具體實現(xiàn)。
2.1 ∑一△A/D轉換器的串口讀操作時序
由CS5321/CS5322組成的∑一△A/D轉換器的串行口讀操作時序如圖3所示,。
當CS5321/CS5322的輸入時鐘(CLKIN)為1 MHz時,，調制器(CS5321)輸出速率為256 Kb/s的串行抽樣比特流。通過對CS5322的抽取率控制位(DECC,、DECB,、DECA)的不同賦值，可以產生7種不同的輸出字率(即采樣頻率),，字長為24位,。CS5322的初始化可以通過軟件編程，也可以通過硬件直接置位完成,。具體采用哪種方法,，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要來選擇。
CS5322 的 DRDY為數(shù)據(jù)準備好信號引腳,。當DRDY為高電平時,，表示CS5321/CS5322組成的∑一△A/D轉換器已經進行完一次轉換，并已由CS5322將數(shù)據(jù)在其輸出緩沖器中準備好,，數(shù)據(jù)可以從串行口輸出,。CS5322中讀操作控制插針有CS、R/W,、SCLK,、SOD。當CS=O且R/W=1時,，串行口處于讀操作有效,。RSEL引腳用來選擇串口輸出的是數(shù)據(jù)緩沖器,，還是狀態(tài)緩沖器的數(shù)據(jù)，SOD為串行數(shù)據(jù)輸出插針,。當讀狀態(tài)被選擇后,，不管SCLK是高電平還是低電平，第一位輸出數(shù)據(jù)都會在SOD插針出現(xiàn),，并且在SCLK的下降沿終止,。第一個SCLK下降沿后，每一個SCLK的上升沿從SOD引腳輸出一位數(shù)據(jù),。輸出的位流順序為高位(MSB)在前低位(LSB)在后,。
2．2 多通道串行接口的原理
通過以上對CS5322的串行讀操作時序的分析，可以得到利用CS5321/CS5322實現(xiàn)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳統(tǒng)方案,。以M通道為例,，系統(tǒng)的框圖如圖4所示。
在由CS5321/CS5322組成的∑一△A/D轉換器的多通道采集系統(tǒng)中,，傳統(tǒng)方案如圖4所示,。通過控制器輪流接通各道的DRDY信號，在DRDY為高電平時各道輪流從SOD引腳將數(shù)據(jù)輸出到控制器,。由CS5321/CS5322所組成的∑一△A/D轉換器的采樣率,，由DECC、DECB,、DECA三位設定,，可以為62．5 Hz～4 kHz等7種。對應每一種采樣率,，所要求的移位時鐘(SCLK)的最低頻率fmin=fs×24(fs為采樣率),。在典型用法中，只需要根據(jù)采樣率要求設計一個時鐘源,，使它的頻率略高于,，fmin即可。時序示意如圖5所示,。
2.3 對傳統(tǒng)方案的改進
按照上述方案,，雖然可以完成多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計，但是用這種方案設計的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成一次多道數(shù)據(jù)采集傳送的周期(T=m×24/fs)很長,，特別是圖5 傳統(tǒng)方案的多通道數(shù)據(jù)采集時序示意圖隨著m的增大,，即通道數(shù)的增加，T將成倍增加,。
通過對CS5321/CS5322的進一步研究發(fā)現(xiàn)，CS5322對SCLK要求的最小周期可以為100 ns,，遠遠高于傳統(tǒng)的設計方法所采用的移位時鐘頻率,。因此,，可以通過加快串行移位時鐘(SCLK)來加快讀出數(shù)據(jù)的速率，從而實現(xiàn)在一個采樣周期內讀出多道的數(shù)據(jù),。假設SCLK的頻率為fb,，則每道的24位的數(shù)據(jù)需要的移位時間為tm=24/fb，又采樣周期為Ts=1/fs(fs可以為62.5 Hz,、125 Hz,、
250 Hz、500 Hz,，1 kHz,、2 kHz、4 kHz),，fb的最大值可以達到10 MHz,，只要適當提高fb就可以使tm《Ts，這樣在一個采樣周期里最多可以完成Ts/tm道數(shù)據(jù)傳送,，大大地提高了多通道數(shù)據(jù)采集傳送的速度,。例如，當fs=1 kHz,，fb=1 MHz,，則由以上分析可知，理論上一個采樣周期里最多可以傳送42個通道的串行數(shù)據(jù),?？紤]到器件延時等多種因素，實際應用中應比此理論值小,。
改進后的連線框圖,，是在圖4的基礎上去掉虛線部分，直接將第一通道的DRDY與FSR相連即可,。改進方圖6 改進方案的多道數(shù)據(jù)采集時序示意圖改進后的多路∑一△A/D轉換器同時進行卷積運算和數(shù)據(jù)轉換,，并幾乎同時產生DRDY信號，但只有第一道的DRDY信號接到控制器的幀同步引腳(FSR),，來觸發(fā)處理器的串口接收1幀數(shù)據(jù),。各通道的片選CSl、CS2……CSm由控制器在一個采樣周期里依次選中,，各通道的SOD引腳都直接連接到控制器的DR引腳,，整個系統(tǒng)的移位時鐘可以由外部時鐘源提供，也可以由控制器產生,。
整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程如下：①初始化,，啟動A/D。②將A/D轉換器的R/W置高電平，并設置采樣率,。③當DRDY變?yōu)楦唠娖?，同時使CSl有效，開始第一道數(shù)據(jù)采集,；當24位數(shù)據(jù)全部接收完畢,，第一道完成，使CS2有效,，開始第二道采集,，依次完成M道數(shù)據(jù)采集。④將數(shù)據(jù)存儲并處理,。
結 語
目前,，基于CS5321與CS5322的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在石油勘探、地震數(shù)據(jù)采集領域已經得到應用,。與其他具有相應用途的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比,，本系統(tǒng)的采集速率更快，精度更高,，實時性更好,。本文介紹的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計思想有一定的通用性，并且對傳統(tǒng)方案作了一些改進,，可以進一步提高整個系統(tǒng)的采集速率,。