基于CS套片的低噪声数据采集系统设计

刘贵豪　刘兰军　陈家林　王恒良

摘要：针对微弱信号的低噪声采集应用需求，采用美国Cirrus Logic公司的针对地球物理应用的24位数据采集套片CS5376A、CS5372A和CS3301A，基于FPGA技术，开发了一种同步、低噪声数据采集系统。给出了系统的总体设计方案。详细介绍了数字滤波芯片CS5376A的接口逻辑设计和软件设计。

关键词：弱信号；数据采集；低噪声；FPGA；CS套片

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）12-0188-03

Drive Design for Digital Filter Chip CS5376A Based on FPGA

LIU Gui-hao， LIU Lan-jun， CHEN Jia-lin， WANG Heng-liang

（Engineering College， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： For the application demand of acquiring weak signals with a low-noise requirement， a data acquisition system with characteristics about synchronization and low noise is developed， based on the FPGA technology and the 24-bit data acquisition set of CS5376A、CS5372A and CS3301A designed by CIRRUS LOGIC company in America for Geophysical applications. The overall system design scheme is illustrated， and the interface logic design and software design of the digital filter chip CS5376A is introduced in detail.

Key words：weak signal； data acquisition； low noise； FPGA； CS Set

进入21世纪以来，油气勘探的重点已从陆地向海洋转移。在近年的EAGE、SEG年会上，海洋电磁法勘探方面的论文、报告成为地球物理界关注的热点之一[1]。海洋电磁法勘探技术能够识别高阻油气藏，作为地震勘探法的有效补充可提高海上钻探成功率，大大降低钻探风险[2]。

海洋电磁勘探方法分为天然场源（Marine MT，海洋大地电磁法）和人工场源（Marine CSEM，海洋可控源电磁法）[3]。搭载在海底电磁采集站上的电磁数据记录仪是海洋电磁勘探的关键装备之一，负责采集海底微弱的电场和磁场信号[4]。微弱磁场信号通过精细设计的超低噪声磁场传感器采集，磁场传感器本底噪声要求低于[1pT/Hz@0.1Hz]；电场信号利用“固态不极化Ag/AgCl电极+低噪声放大电路”采集，采集通道本底噪声要求低于[1nV/Hz@1Hz]，电场信号为低频宽带微弱信号。

针对海洋电磁勘探方法中的微弱电场和磁场信号的采集需求，本文采用美国Cirrus Logic公司的24位数据采集套片CS5376A、CS5372A和CS3301A，基于FPGA技术，开发了一种同步、低噪声数据采集系统。给出了系统的总体设计方案。详细介绍了数字滤波芯片CS5376A的接口逻辑设计和软件设计。

1 数字采集系统设计

本文提出的基于CS套片的低噪声数字采集系统拓扑如图 1所示，包括CS套片部分和数字采集存储部分。CS套片是由四片低噪声、可编程增益、差分放大器CS3301A，两片高性能Δ∑调制器CS5372A和一片多通道数字滤波器CS5376A组成。数字采集存储部分由ST公司的ARM芯片STM32F207、Altera公司的FPGA芯片EP3C16F484和SanDisk公司的32GB CF卡组成。FPGA芯片负责数字采集，包括配置CS5376A的SPI端口驱动逻辑、读取转换数据的SD端口驱动逻辑、数据缓存模块、配置CS5376A的命令缓存等。数据缓存模块包括选择控制逻辑、数据缓存1、数据缓存2和输出数据选择输出逻辑，其中控制逻辑负责控制使能两个数据缓存、进行输出数据选择和产生ARM读数据中断信号，两个数据缓存采用乒乓操作，能够保证将CS套片采集的数据进行无缝缓冲和处理。配置CSCS5376A需要下发不同字节数量的命令包，存储在命令缓存中，分为5字节、8字节和11字节命令包，在命令缓存的尾地址存储命令包数据字节数，传输完成后处理器下发开始传输命令通知SPI端口驱动逻辑，按照CS5376A要求的SPI写时序将命令包转换成串行数据，对CS套片进行配置和访问。

3 CS5376A接口设计

3.1数字逻辑设计

数字滤波芯片CS5376A数字逻辑设计，如图 2所示，包括SPI端口驱动和SD端口驱动，通过SPI端口，能够对CS套片进行配置和读取CS套片的寄存器，通过SD端口读取CS套片的模数转换数据；SPI端口驱动负责将来自处理器的配置数据从命令缓存中读取并且按照要求的时序驱动SSI_N、SCK1、MOSI等引脚。图中命令缓存，是16字节深度的双口RAM，末地址存放命令包的有效数据数目。SPI端口驱动，需要对CS5376A的状态进行监测，等待SINT_N负脉冲产生或是间隔1ms后，才能进行下一次命令传输，确保CS5376A能够正确接收命令。SD端口驱动负责将CS套片转换完成的串行数据转换成并行数据data[127..0]，每一次读取完成后产生data_load脉冲，通知数据缓存模块进行相应的数据处理。根据令牌输入口SDTKI的输入信号类型，SD端口有两种工作模式：单次工作和连续工作。本文将1MHz信号接至SDTKI口，使SD端口连续工作。

SPI端口驱动逻辑程序，如图 3所示，基于单进程采用状态机思想进行程序设计。SPI端口驱动分为6个状态，写数据命令，状态跳转依次为S1->S2->S3->S4->S5->S1；读数据命令，状态跳转依次为S1->S2->S3->S4->S5->S6->S1。

16字节深度的RAM，以16进制文件作为存储器寄存器内容，前5个地址数据顺序设置为0x55、0x0F、0x55、0x0F、0x55，最后一个地址数据设置为0x05。时序仿真波形，如图4所示。

SD端口驱动，负责按照CS5376A的数据传输协议读取CS套片采集完成数据，转换成并行数据，并负责将并行数据准确传输给数据缓存模块。

图 5是SD端口驱动时序仿真图，仿真条件是设置数据准备好信号为低电平，测试SDCLK等信号输出，本文设计的数据采集系统一个CS套片含有4路采集通道，图 5中列出了4路并行数据输出。

3.2软件设计

针对CS5376A的不同工作模式，本文设计了三个函数，分别是初始化配置函数、模式切换函数和实时参数配置函数。

数字滤波芯片CS5376A，在复位信号端口释放后，但在引导程序前，需要60ms时间进行一系列的数字滤波器自检操作。自检结果存储在自检寄存器（0x2F）中。本文设计的上电启动采样函数程序流程，如图 6所示。读取自检寄存器，需要下发8个字节数据（“0x02 0x03 0x00 0x00 0x02 0x00 0x00 0x2F”）；设置ROM系数，是对片上FIR和IIR滤波器系数进行设置；写配置寄存器，是设置滤波器频率、MCLK频率和MSYNC使能控制。写滤波器配置寄存器，是对滤波器数据输出速率、偏置补偿、通道使能数量等进行设置；配置片上GPIO外设，是对CS3301A的MUX1、MUX0、PWDN和CS5372A的OFST、PWDN引脚进行设置。最后下发启动命令，使CS5376A开始工作。

为了降低采集系统的功耗，在不需要对信号进行采集时，需要将数据采集系统工作于低功耗模式。本文设计的进入低功耗模式函数程序流程如图 7所示，需要下发停止采样命令，并通过CS5376A设置CS3301A和CS5372A的PWDN引脚为高电平，置CS3301A和CS5372A为低功耗模式。

在采集系统调试阶段，需要实时改变对CS5376A的相关配置。本文设计了实时参数配置函数，程序流程图如图 8所示。

4 测试实验

为了测试基于CS套片的数字采集系统的性能，搭建了如图 9所示的实验测试系统。测试系统包括数字采集板、信号发生器、直流稳压电源、上位机监控软件等。信号发生器产生一定频率的正弦信号，上位机检测数字采集板采集到的信号波形。信号发生器采用Agilent的33522A，直流稳压电源采用YB1731B。

5 结论

微弱信号低噪声同步数据采集存储具有广阔的应用前景，本文给出了一种基于CS套片的低噪声数字采集系统设计与实现，详细介绍了数字逻辑设计和软件设计，搭建了实验测试系统，验证了采集系统的功能实现。该系统已应用于海洋电磁勘探的微弱电磁场信号采集和页岩气勘探的微地震信号采集。

参考文献：

[1] 孙卫斌，何展翔. 海洋可控源电磁勘探技术与装备[J].物探装备，2010（1）：51-56.

[2] Constable S. Ten Years of Marine CSEM for Hydrocarbon Exploration[J]. Geophysics， 2010， 75（5）： 75A67-75A81.

[3] 何展翔，余刚. 海洋电磁勘探技术及新进展[J]. 勘探地球物理进展， 2008， 31（1）： 2-8.

[4]邓明，魏文博，盛堰，等. 深水大地电磁数据采集的若干理论要点与仪器技术[J]. 地球物理学报，2013，11：3610-3618.