引言

在变电站自动化系统中，常需要对多个三相电压电流信号进行数据采集和处理（如电能质量实时监控），这时需要实现对多路信号的同时、快速的数据采集。美国模拟器件公司（ADI）的AD76561是一款16位6通道的模/数转换芯片,内部含有6个独立的A/D转换器,可同时进行A/D转换，具有转换精度高、速度快、功耗低、输入模拟信号幅度大、信噪比高等优点，其突出特点是可通过多个AD76561级联形成菊花链实现多个通道同时进行数据采集，并通过一个或多个串口发送数据给主控处理器。以S3C2410A为主控处理器，多个AD76561组成菊花链实现多通道、高精度的ADC,在很大程度上可提高数据采集系统的信号采集和处理能力,具有较好的应用前景。

1AD76561的特点

图1为AD76561的内部功能框图。其主要特性为：

◆ 6个独立的16位逐次逼近（SAR）型模数转换器。

◆ 可通过引脚或软件方式设定输入信号的电压范围（±10 V,±5 V）。

◆ 最高吞吐率为250 ksps。

◆ 宽带宽输入高信噪比：输入频率为10 kHz时的信噪比（SNR）为88 db。

◆ 带有片上2.5 V 基准电压源和基准缓冲器。

◆ 低功耗，5 V供电时在250 kSPS下功耗仅为140 mW。

◆ 支持并行、串行及菊花链接口模式。

◆ 高速串行接口，兼容SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP 。

◆ 采用iCMOS制造工艺，64引脚的LQFP封装。

图1AD76561的功能框图

应用领域： 输电线路监测系统、仪器仪表和控制系统、多轴定位系统。

2AD76561菊花链工作原理及其配置

2.1AD76561菊花链工作原理

AD76561有2种接口模式:串行接口模式和并行接口模式。在数据转换时,3个转换信号CONVSTA/B/C用来控制每对或每4个或每6个ADC同时采样。如果将3个CONVST引脚连接在一起接收同一个采样启动信号,就可使6个ADC同时进行采样，此时再将多个AD76561 级联就可以形成菊花链，实现6N（N=2,3，…，8）个ADC通道同时采样，如图2所示。在CONV STX的上升沿,ADC被置为保持模式,转换开始。CONVSTX的上升沿过后,BUSY信号变为高电平表明转换正在进行,3 μs后BUSY信号返回低电平表明转换结束。在BUSY信号的下降沿,ADC回到跟踪模式。数据可以通过1～3个串行接口从输出寄存器读出，并由主控处理器接收并存储。AD76561采用同步串行接口（SPI）发送数据时，每发送一个比特位数据就要花去一个单位的SCLK脉冲的时间，发送完6个通道的16位数据就要花去96个SCLK脉冲。菊花链中多个AD76561通过数据接力传递的方式把数据依次发送给主控处理器，通过采用多个串行接口发送数据可减少发送时间，提高菊花链的数据传递效率。AD76561串行数据输出接口及其对应的通道数据关系和发送所需的SCLK脉冲个数关系如表1所列。

图2多个AD76561组成的单串行输出菊花链

表1串行输出口、通道数据及所需SCLK脉冲个数的对应关系

2.2AD76561菊花链的配置

AD76561要工作在菊花链方式，其数据输出必须设置为串口模式，且在串口模式下，AD76561必须配置成硬件模式。所谓的硬件模式是通过对器件引脚的固定连接，确定AD76561芯片唯一的工作方式，此时AD76561也不能配置成软件工作模式了。AD76561菊花链配置的主要原则如下：

① 在多片级联的AD76561中，位于级联最远端的芯片不能配置为菊花链工作模式，即其DCEN引脚置低电平（数字地）；但其下流数据链的每片AD76561必须配置为菊花链工作模式，即DCEN引脚都要置逻辑高电平（VDRIVE）。

② SEL A、SEL B、SEL C对应使能DOUT A、DOUT B、DOUT C串口输出口。要选用DOUT X串行输出口,就置对应的SEL X为逻辑高电平，其余不用的SEL引脚必须置逻辑低电平。图3（a）、（b）、（c）为1~3个串行输出口的引脚配置。（图中“NC”表示未连接）

图3串行输出线的引脚配置

③ 菊花链中的每片AD76561的串行数据输入/输出（DCIN X/DOUT X）必须遵循同一配置，即有几个DCIN输入就有几个DOUT输出。

④ 菊花链中的每块AD76561的CONVST X （X=A、B、C）都要接主控处理器发送来的CONVERT信号，即配置为每块AD76561的V1~V6通道同时采样。

3AD76561菊花链与S3C2410A接口设计

3.1硬件电路设计

采用2片AD76561配置成菊花链，可实现12通道同时采样，数据通过DOUT A口输出，S3C2410A用同步串行接口0（SPI0）接收数据，如图4所示。S3C2410A的GPE11引脚实现片上同步串行接口SPI0的MISO功能，GPE13（SCK）引脚实现SPI0接口的同步时钟输出，GPF0引脚配置为中断EINT0输入并与AD76561（1）的BUSY脚相连；GPB0设置为PWM输出，GPG9引脚设置为通用输出口，分别作为AD76561（1）和AD76561（2）的CONVST和CS的控制信号输入。AD76561连接外围电路图4两片AD76561组成的菊花链时,必须对关键引脚进行必要的设置：AD76561（1）、AD76561（2）的DVCC、AVCC、VDRIVE、REFIN/OUT和VSS引脚须并联一个1 μF的去耦电容；为了与S3C2410A的3.3 V的接口匹配, VDRIVE接+3 V电源；STBY接VDRIVE,选择正常模式；RANGE接地表示选择输入范围±10 V；/S接数字地选择为硬件配置； SER/PAR接VDRIVE,RD接数字地，选择为串行模式。AD76561（1）的DCEN接VDRIVE，配置为菊花链模式,且SEL A接VDRIVE，SEL B、C，DCIN A、B、C接数字地；AD76561（2）的DCEN接数字地，配置为非菊花链模式，且SEL A接VDRIVE，SEL B、C，DCIN B、C接数字地。具体配置如图5所示。

图42片AD7656-1组成的菊花链

图5AD75656外围电路及其与S3C2410A引脚连接电路

3.2 数据采集传输流程

通过定时器中断来控制信号的采样间隔，设定S3C2410A的定时器0作为采样定时器，并设置其工作于PWM方式，定时器0的PWM输出TOUT0作为AD76561的模数转换控制信号CONVST的输入，引脚GPF0（EINT0）设置为下降沿触发。A/D采样操作时序如图6所示。当采样定时器中断发生，TOUT0（引脚GPB0）输出高电平，发送CONVST信号给菊花链上的每个AD76561开始模数转换。3 μs后12个通道的数据全部转换完，BUSY信号从高电平向低电平转换，触发EINT0中断，开始数据传送；GPG9输出低电平给AD76561（1）和AD76561（2）的CS引脚，同时S3C2410A的SPI通道0开始读数据。读完12个通道的转换结果后，GPG9恢复高电平输出，TOUT0输出低电平，完成一次采样。等待下一个采样定时器中断发生，进行下一个采样。可通过设定定时器0的内部寄存器TCMPB0的值来控制TOUT0输出高电平的宽度TPH。

AD76561通过DOUT A发送采集到的数据给S3C2410A，其发送时序如图7所示。当BUSY从高电平返回低电平时表示转换结束，触发外部中断EINT0，通知S3C2410A启动SPI接收数据，CS信号变为低电平开始串行传输。在整个传输过程中，CS一直维持低电平，直到传输完为止。

图6A/D采样操作时序

3.3软件设计

在对三相交流电进行数据采集过程中,每个周期要求采样256点,即20 ms采样256点,也就是每78.125 μs采样一次。S3C2410A定时器0每78.125 μs发生一次定时中断,启动A/D转换。12个通道的数据全部转换完后,BUSY信号变低触发外部中断0,通知S3C2410A读取数据。S3C2410A输出片选信号CS给AD76561，并通过SPI0开始读取转换结果。SPI0配置为主入从出（MISO）和MDA接收模式，因其只接收数据,故需同时发送哑元 “0xFF”。 把12路数据读完,图7AD76561串行口数据发送时序退出中断,等待定时器下一次定时到,启动下一次转换。待256点数据转换完之后,暂停定时计数，进行数据处理。完成后再次启动定时,完成下一个周期的256点采集，流程如图8（a）所示。其包括两个中断子程序：采样定时器中断子程序，用于启动采样信号CONVST并给外部中断0置位，允许响应BUSY下降沿触发中断，如图8（b）所示；外部中断0（EINT0）子程序，用于启动SPI0接收数据，如图8 （c）所示。

图7 AD7656-1 串行口数据发送时序

图8数据采样传输流程

4结论

本文介绍了16位模数转换芯片AD76561的菊花链工作原理，设计了基于AD76561菊花链与S3C2410A数据采集接口,可实现12通道、高精度的ADC。SPI串行传输具有占用微处理器I/O资源少,硬件连接简单等特点。当菊花链中AD76561芯片数量较多时，为了提高数据传输效率并满足实时性要求，可以采用2个或3个串行口传输数据。主控处理器也可以采用DSP芯片，同样能实现菊花链。本设计方案可广泛应用于电力系统电能质量监控、变电站保护测控IED等嵌入式系统。