基于ARM7的微弱信号采集系统设计与实现

1、基于arm7的微弱信号采集系统设计与实现 对于绝大多数数据采集系统而言，其采集对象普通都为大信号，即实用信号的幅值远远大于噪声，然而在一些特别的场合，采集到的信号往往很微弱，并且经常被随机噪声所沉没。这种状况下，仅仅采纳和滤渡器无法有效的检测出微弱实用信号。本系统硬件针对溶解氧输出的微弱低频信号，利用仪表放大器有效抑制共模噪声，通过处理器的数字相关算法优化，保证采集系统的精度要求。 因为确定信号在不同时刻取值具有很强的相关性，而噪声普通都是随机信号，不同时刻其相关性较差。相关检测技术就是基于信号与噪声统计学的特点，充分利用它们的相关性，从而实现微弱信号的提取和降噪的目的。针对被沉没在噪声中的信

2、号，采纳数字相关检测算法可以排解噪声。本系统采纳三星(sam sung)公司的arm7微控制器芯片s3c4510b，这是囫囵系统的核心，由它控制数据的采集和处理。该模块由以下3个功能：1)起动ad，控制数据的存储和传输;2)实现数据处理的算法;3)负责与上位机举行通讯。s3c4510b芯片是高性价比的16/32位rsic微控制器，十分适合低功耗的场合。本系统采纳s3c4510b作为处理器，通过外部中断读取数据，并实现基于数字相关的算法。1 基于数字相关检测的算法微弱信号检测的主要目的就是从被噪声沉没的信号中提取实用信号。目前常用的检测办法有频域信号相干检测、时域信号堆积平均、离散信号计数技术、

3、并行检测办法。其中频域信号信号相干检测是常用的一种办法。传统的相干检测办法是将信号通过前置低通滤波之后，再通过锁定模拟放大器(lia)和参考通道信号完成相关运算。利用信号和噪声不相关的特点，采纳相互关检测原理来实现沉没在噪声背景下的微弱信号的提取。虽然lia速度快，但也存在温度漂移、噪声、价格昂贵、体积较大等一些缺点、不适合小型化集成系统。假如把相关运算转换胜利率谱计算，就彻低可以利用数字相关运算来代替lia，从而克服模拟锁定放大器的缺点。按照维纳-辛钦定理，功率信号的自相关函数和其功率谱是一对傅里叶变换，因此可将lia中的相关运算转换为功率谱计算，采纳软件来实现相关运算，就可以用数学电路代替

4、模拟模拟锁定放大器。1.1 检测原理设被测信号x(n)由实用信号s(n)和噪声(n)组成：x(n)=s(n)+(n) (1)x(n)的自相关函数为：rxx(m)=rss(m)+rs(m)+r(m) (2)式中rss(m)s(n)的自相关函数;rss(n)与(n)的相互关函数;rs(m)(n)与s(n)的相互关函数;r(m)(n)的自相关函数。因为噪声听从正态分布且不含周期重量，因此rs=0，rs=0，并随着m的增大r(m)趋于0，所以rxx(m)rs(m)，故而rxx(m)可简记为r(m)。按照维纳-辛钦定理，功率信号的自相关函数和其功率谱是一对傅里叶变换，因此可用迅速傅里叶变换(fft)来计

5、算自相关函数。然而在实际中x(n)惟独n个观看值，故求出的rs(m)是自相关的一个估量值。用fft计算自相关时，x(n)须补n-1个零，使其长度为2n-1。因此自功率谱为：功率谱估量算法实现数字相关运算的重点是离散傅里叶变换(dft)。dft有其迅速的算法fft。对于ifft，因为经过ad采集的数据为实信号，因此可采纳快逮有效的实数fet算法。2 系统硬件设计2.1 系统组成微弱信号采集系统的总体框图1所示，系统以s3c4510b为核心，主要包含前置调理电路和采集电路两大部分，主要由模拟信号检测、滤波放大、数据采集处理、信号通信传输电路组成。2.2 前置调理电路设计前置调理电路主要有仪表放大器

6、、二阶组成。数据采集系统中，若采集的信号为微弱信号，必需用放大器放大。然而通用放大器不适合放大微弱信号，因此挑选仪表放大器作为放大电路。仪表放大器为差分放大结构，因此有很强的抑制共模噪声的能力，同时有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，而且具有增益高且稳定，失调和温漂小等优点，所以仪表放大器十分适合放大微弱信号。另外，为了使输出电压在高频段能够迅速下降，提凹凸通滤波器滤除噪声的能力，这里选用了二阶低通滤波器。前置调理电路原理2所示。在对微弱信号举行检测的过程中，集成运放对电路的干扰很大，因此应挑选临近抱负运放的放大器芯片。主要参数的要求是，具有较低的偏置电流、较低的输入失调电压和较低的零漂、较大的

7、输入和较高的共模抑制比、较大的开环放大倍数。特殊是在电流电压转换级，对集成运放的要求较高，假如输入电流在na级，普通要求运放的偏置电流在pa缀。目前市面上已经有无数满足条件的运放，比如lmc6442、ad8571、opa2703等。部分的仪表放大级采纳了高性能运放lt1125，其带宽为12.5 mhz，最大失调电压为70v，共模抑制比为112db。二阶低通滤波器部分利用高速运放lt1355构成，其截止频率为200 hz，抑制高频噪声。另外，为减小嗓声在信号传输过程中对信号的干扰，采纳差分输出放大器ssm2142，将单端信号转换成差分信号举行传输，同时可以增加信号的驱动能力。2.3 采集电路设计

8、采集电路由差分放大器ssm2141、增益放大器lt1355、a/d芯片adc12062和arm处理器s3c4510b组成，3所示。差分放大器ssm2141将输入的差分信号再次转换成单端信号。高速运放lt1355将单端信号放大，使其值符合a/d芯片输入电压范围。adc12062作为模数转换芯片，具有12位采样精度，其基准电压为4.096v。adc12062采纳工艺，具有低功耗的特点，功耗为75mw。 adc有下降沿触发中断引脚，将此引脚与arm的外部中断引脚相连，adc转换完成以后，准时通知arm读取数据。3 系统软件设计数据采集系统的软件包括arm初始化程序、中断向量表和应用程序。3.1 初始

9、化程序和中断向量表系统启动时首先运行arm内部rom的bootloader程序，通过这段程序，可以初始化硬件、建立内存空间映射图。boot loader程序基本流程图4所示。1)存储器初始化主要配置芯片内外存储器介质映射和实现地址空间的特别存储器。配置如下。3.2 微弱信号处理算法的实现本讨论采纳基于功率谱估量来实现数字相关算法，流程图5所示。相关运算改变为功率谱计算，要对采集数据举行迅速傅里叶变换(fft)和迅速傅里叶反变换(ifft)，其中fft傅里叶算法是该程序模块的重点，时光抽取(dit)基2的fft算法是较为合适的fft算法。图6是fft算法实现的基本框图。在蝶形运算中，奇数序列和偶

10、数序列分开计算，因此设计了偶数序列存储单元和奇数序列存储单元。3. 3 ad数据采集软件的实现adc12062作为模数转换芯片，采纳外部中断向arm芯片报告数据转换完成，然后arm读取数据到数据存储区，当数据存储区满后，上位机会启动数据处理程序和上位机传送数据程序。ad数据采集软件的流程图7所示。4 实验讨论调试完毕后，对系统举行测试。与试验相关的设备主要包括：双路afg3102、tds2024b、双路直流、双相锁相放大器signal recovery 7265以及其他相关仪器。本试验通过锁相放大器的标定值与微弱信号检测系统的测量值举行对照，从而得出系统的性能参数，试验现场8所示。4.1 系统

11、模拟电路部分测试按照溶解氧传感器输出的微弱电流信号的特点，设计了电流型恒流源来模拟产生微弱电流信号，采纳电压转化为电流电路来设计纳安级电流源，并用锁相放大仪器7265对输出的电流值和相位举行标定。标定的电流信号的频率为100hz，相位为0度，标定范围1.786.9 na，9所示电流源输出随输入电压变幻曲线。图10所示电流标定值与微弱信号检测系统模拟部分的电流测量值，其中标定值表示锁相放大器标定电流源的电流值，实测值表示由微弱信号检测系统模拟部分的测试电流源的测试值。图11所示电流标定值与微弱信号检测系统测量值之间的误差曲线，由均方差公式可得，电流精度为0.24 na。4.2 微弱信号检测系统整体测试检测系统的模拟电路部分、数字部分和电脑界面整体构成一个模拟与数字的混合系统，即微弱信号检测系统。图12所示为电流标定值与微弱信号检测系统的电流测试值，其中标定值表示锁相放大器标定的电流源电流值，实测值表示由检测系统的测试电流源测试值。图13所示为电流标定值与微弱信号检测系统测试值之间的误差曲线，由均方差公式可得，电流精度为0.12na。5 结束语该微弱