基于ARM7的微弱信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
對(duì)于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言,其采集對(duì)象一般都為大信號(hào),即有用信號(hào)的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噪聲,然而在一些特殊的場(chǎng)合,采集到的信號(hào)往往很微弱,并且常常被隨機(jī)噪聲所淹沒(méi)。這種情況下,僅僅采用放大器和濾渡器無(wú)法有效的檢測(cè)出微弱有用信號(hào)。本系統(tǒng)硬件電路針對(duì)溶解氧傳感器輸出的微弱低頻電流信號(hào),利用儀表放大器有效抑制共模噪聲,通過(guò)ARM處理器的數(shù)字相關(guān)算法優(yōu)化,保證采集系統(tǒng)的精度要求。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/272602.htm由于確定信號(hào)在不同時(shí)刻取值具有很強(qiáng)的相關(guān)性,而噪聲一般都是隨機(jī)信號(hào),不同時(shí)刻其相關(guān)性較差。相關(guān)檢測(cè)技術(shù)就是基于信號(hào)與噪聲統(tǒng)計(jì)學(xué)的特點(diǎn),充分利用它們的相關(guān)性,從而實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的提取和降噪的目的。針對(duì)被淹沒(méi)在噪聲中的信號(hào),采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)算法可以排除噪聲。
本系統(tǒng)采用三星(Sam Sung)公司的ARM7微控制器芯片S3C4510B,這是整個(gè)系統(tǒng)的核心,由它控制數(shù)據(jù)的采集和處理。該模塊由以下3個(gè)功能:
1)起動(dòng)AD,控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸;
2)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的算法;
3)負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊。
S3C4510B芯片是高性價(jià)比的16/32位RSIC微控制器,非常適合低功耗的場(chǎng)合。本系統(tǒng)采用S3C4510B作為處理器,通過(guò)外部中斷讀取ADC數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字相關(guān)的算法。
1 基于數(shù)字相關(guān)檢測(cè)的算法
微弱信號(hào)檢測(cè)的主要目的就是從被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)中提取有用信號(hào)。目前常用的檢測(cè)方法有頻域信號(hào)相干檢測(cè)、時(shí)域信號(hào)積累平均、離散信號(hào)計(jì)數(shù)技術(shù)、并行檢測(cè)方法。其中頻域信號(hào)信號(hào)相干檢測(cè)是常用的一種方法。
傳統(tǒng)的相干檢測(cè)方法是將信號(hào)通過(guò)前置低通濾波器濾波之后,再通過(guò)鎖定模擬放大器(LIA)和參考通道信號(hào)完成相關(guān)運(yùn)算。利用信號(hào)和噪聲不相關(guān)的特點(diǎn),采用互相關(guān)檢測(cè)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)淹沒(méi)在噪聲背景下的微弱信號(hào)的提取。雖然LIA速度快,但也存在溫度漂移、噪聲、價(jià)格昂貴、體積較大等一些缺點(diǎn)、不適合小型化集成系統(tǒng)。如果把相關(guān)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成功率譜計(jì)算,就完全可以利用數(shù)字相關(guān)運(yùn)算來(lái)代替LIA,從而克服模擬鎖定放大器的缺點(diǎn)。根據(jù)維納-辛欽定理,功率信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和其功率譜是一對(duì)傅里葉變換,因此可將LIA中的相關(guān)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為功率譜計(jì)算,采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算,就可以用數(shù)學(xué)電路代替模擬模擬鎖定放大器。
1.1 檢測(cè)原理
設(shè)被測(cè)信號(hào)x(n)由有用信號(hào)s(n)和噪聲η(n)組成:
x(n)=s(n)+η(n) (1)
x(n)的自相關(guān)函數(shù)為:
Rxx(m)=Rss(m)+Rsη(m)+Rηη(m) (2)
式中Rss(m)——s(n)的自相關(guān)函數(shù);Rsη——s(n)與η(n)的互相關(guān)函數(shù);Rηs(m)——η(n)與s(n)的互相關(guān)函數(shù);Rηη(m)——η(n)的自相關(guān)函數(shù)。
由于噪聲服從正態(tài)分布且不含周期分量,因此Rsη=0,Rηs=0,并隨著m的增大Rηη(m)趨于0,所以Rxx(m)≈Rs(m),故而Rxx(m)可簡(jiǎn)記為R(m)。
根據(jù)維納-辛欽定理,功率信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和其功率譜是一對(duì)傅里葉變換,因此可用快速傅里葉變換(FFT)來(lái)計(jì)算自相關(guān)函數(shù)。然而在實(shí)際中x(n)只有N個(gè)觀察值,故求出的Rs(m)是自相關(guān)的一個(gè)估計(jì)值。用FFT計(jì)算自相關(guān)時(shí),x(n)須補(bǔ)N-1個(gè)零,使其長(zhǎng)度為2N-1。因此自功率譜為:
功率譜估計(jì)算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字相關(guān)運(yùn)算的重點(diǎn)是離散傅里葉變換(DFT)。DFT有其快速的算法FFT。對(duì)于IFFT,由于經(jīng)過(guò)AD采集的數(shù)據(jù)為實(shí)信號(hào),因此可采用快逮有效的實(shí)數(shù)FET算法。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)組成
微弱信號(hào)采集系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示,系統(tǒng)以S3C4510B為核心,主要包含前置調(diào)理電路和采集電路兩大部分,主要由模擬信號(hào)檢測(cè)、濾波放大、數(shù)據(jù)采集處理、信號(hào)通信傳輸電路組成。
2.2 前置調(diào)理電路設(shè)計(jì)
前置調(diào)理電路主要有儀表放大器、二階低通濾波器組成。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,若采集的信號(hào)為微弱信號(hào),必須用放大器放大。然而通用放大器不適合放大微弱信號(hào),因此選擇儀表放大器作為放大電路。儀表放大器為差分放大結(jié)構(gòu),因此有很強(qiáng)的抑制共模噪聲的能力,同時(shí)有很高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗,而且具有增益高且穩(wěn)定,失調(diào)電壓和溫漂小等優(yōu)點(diǎn),所以儀表放大器非常適合放大微弱信號(hào)。
另外,為了使輸出電壓在高頻段能夠快速下降,提高低通濾波器濾除噪聲的能力,這里選用了二階低通濾波器。前置調(diào)理電路原理如圖2所示。
在對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中,集成運(yùn)放對(duì)電路的干擾很大,因此應(yīng)選擇接近理想運(yùn)放的放大器芯片。主要參數(shù)的要求是,具有較低的偏置電流、較低的輸入失調(diào)電壓和較低的零漂、較大的輸入電阻和較高的共模抑制比、較大的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。特別是在電流電壓轉(zhuǎn)換級(jí),對(duì)集成運(yùn)放的要求較高,如果輸入電流在nA級(jí),一般要求運(yùn)放的偏置電流在pA綴。目前市面上已經(jīng)有很多滿足條件的運(yùn)放,比如LMC6442、AD8571、OPA2703等。
模擬電路部分的儀表放大級(jí)采用了高性能運(yùn)放LT1125,其帶寬為12.5 MHz,最大失調(diào)電壓為70μV,共模抑制比為112dB。
二階低通濾波器部分利用高速運(yùn)放LT1355構(gòu)成,其截止頻率為200 Hz,抑制高頻噪聲。另外,為減小嗓聲在信號(hào)傳輸過(guò)程中對(duì)信號(hào)的干擾,采用差分輸出放大器SSM2142,將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)進(jìn)行傳輸,同時(shí)可以增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。
2.3 采集電路設(shè)計(jì)
采集電路由差分放大器SSM2141、增益放大器LT1355、A/D芯片ADC12062和ARM處理器S3C4510B組成,如圖3所示。
差分放大器SSM2141將輸入的差分信號(hào)再次轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)。高速運(yùn)放LT1355將單端信號(hào)放大,使其值符合A/D芯片輸入電壓范圍。
ADC12062作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,具有12位采樣精度,其基準(zhǔn)電壓為4.096V。ADC12062采用CMOS工藝,具有低功耗的特點(diǎn),功耗為75mW。 ADC有下降沿觸發(fā)中斷引腳,將此引腳與ARM的外部中斷引腳相連,ADC轉(zhuǎn)換完成以后,及時(shí)通知ARM讀取數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件包括ARM初始化程序、中斷向量表和應(yīng)用程序。
3.1 初始化程序和中斷向量表
系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先運(yùn)行ARM內(nèi)部ROM的BOOTLOADER程序,通過(guò)這段程序,可以初始化硬件、建立內(nèi)存空間映射圖。BOOT LOADER程序基本流程圖如圖4所示。
1)存儲(chǔ)器初始化主要配置芯片內(nèi)外存儲(chǔ)器介質(zhì)映射和實(shí)現(xiàn)地址空間的特殊存儲(chǔ)器。配置如下。
3.2 微弱信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)
本研究采用基于功率譜估計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字相關(guān)算法,流程圖如圖5所示。
相關(guān)運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)楣β首V計(jì)算,要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)和快速傅里葉反變換(IFFT),其中FFT傅里葉算法是該程序模塊的重點(diǎn),時(shí)間抽取(DIT)基2的FFT算法是較為合適的FFT算法。
圖6是FFT算法實(shí)現(xiàn)的基本框圖。在蝶形運(yùn)算中,奇數(shù)序列和偶數(shù)序列分開(kāi)計(jì)算,因此設(shè)計(jì)了偶數(shù)序列存儲(chǔ)單元和奇數(shù)序列存儲(chǔ)單元。
3. 3 AD數(shù)據(jù)采集軟件的實(shí)現(xiàn)
ADC12062作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,采用外部中斷向ARM芯片報(bào)告數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成,然后ARM讀取數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū),當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)滿后,上位機(jī)會(huì)啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理程序和上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)程序。AD數(shù)據(jù)采集軟件的流程圖如圖7所示。
4 試驗(yàn)研究
調(diào)試完畢后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的設(shè)備主要包括:雙路信號(hào)發(fā)生器AFG3102、示波器TDS2024B、雙路直流穩(wěn)壓電源、雙相DSP鎖相放大器Signal Recovery 7265以及其他相關(guān)儀器。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)鎖相放大器的標(biāo)定值與微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,從而得出系統(tǒng)的性能參數(shù),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。
4.1 系統(tǒng)模擬電路部分測(cè)試
根據(jù)溶解氧傳感器輸出的微弱電流信號(hào)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了電流型恒流源來(lái)模擬產(chǎn)生微弱電流信號(hào),采用電壓轉(zhuǎn)化為電流電路來(lái)設(shè)計(jì)納安級(jí)電流源,并用鎖相放大儀器7265對(duì)輸出的電流值和相位進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的電流信號(hào)的頻率為100Hz,相位為0度,標(biāo)定范圍1.7~86.9 nA,如圖9所示電流源輸出隨輸入電壓變化曲線。圖10所示電流標(biāo)定值與微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)模擬部分的電流測(cè)量值,其中標(biāo)定值表示鎖相放大器標(biāo)定電流源的電流值,實(shí)測(cè)值表示由微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)模擬部分的測(cè)試電流源的測(cè)試值。圖11所示電流標(biāo)定值與微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值之間的誤差曲線,由均方差公式可得,電流精度為0.24 nA。
4.2 微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)整體測(cè)試
檢測(cè)系統(tǒng)的模擬電路部分、數(shù)字部分和電腦界面整體構(gòu)成一個(gè)模擬與數(shù)字的混合系統(tǒng),即微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。圖12所示為電流標(biāo)定值與微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的電流測(cè)試值,其中標(biāo)定值表示鎖相放大器標(biāo)定的電流源電流值,實(shí)測(cè)值表示由檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試電流源測(cè)試值。圖13所示為電流標(biāo)定值與微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試值之間的誤差曲線,由均方差公式可得,電流精度為0.12nA。
5 結(jié)束語(yǔ)
該微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能超過(guò)了低端芯片,又接近于高端儀器,能夠測(cè)量1.7~86.9 nA電流信號(hào),電流精度為0.12 nA,又實(shí)現(xiàn)了電路的小型化、簡(jiǎn)單化、形象化、低成本設(shè)計(jì)。利用ARM實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字相關(guān)的算法,改善信噪比,有效恢復(fù)淹沒(méi)于強(qiáng)背景噪聲中的微弱信號(hào)。最后通過(guò)對(duì)模擬低頻微弱信號(hào)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn),充分顯示了該系統(tǒng)在微弱信號(hào)檢測(cè)方面的實(shí)用性和有效性。
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評(píng)論