張 挺，秦華偉

（杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程研究所，浙江 杭州310008）

基于ARM的微弱信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 挺，秦華偉

（杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程研究所，浙江 杭州310008）

為提取噪聲背景下的微弱信號(hào)，提出了一種硬件與軟件相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案。采用儀表放大技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和處理。該系統(tǒng)優(yōu)化硬件調(diào)理電路設(shè)計(jì)，保證采集數(shù)據(jù)的精度要求。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)模擬低頻微弱電流信號(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。

微弱信號(hào)；儀表放大器；改善信噪比；數(shù)字相關(guān)

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波器無(wú)法有效的檢測(cè)出微弱有用信號(hào)[1-2]。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。

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（SamSung）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?xún)r(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[3]。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[4]，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)字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）的自相關(guān)函數(shù)為：

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)[5]。然而在實(shí)際中x（n）只有N個(gè)觀察值，故求出的Rx（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：

對(duì)式（4）作 IFFT即可得到 R（m）。 設(shè)輸入 x（n）是正弦信號(hào)，即

根據(jù)周期圖法，自譜估計(jì)可表示為：

式中X2Nejw——x（n）當(dāng)n=2N-1時(shí)的離散傅里葉變換（DFT）。

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）[6]。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)，因此可采用快速有效的實(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。

圖1 微弱信號(hào)采集系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of weak signal decting system

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)[7]，所以?xún)x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。

圖2 前置放大電路Fig.2 Preamplifier circuit

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級(jí)。目前市面上已經(jīng)有很多滿(mǎn)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70 μV，共模抑制比為112 dB。

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，為減小噪聲在信號(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[8]。

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。

圖3 采集電路框圖Fig.3 Block diagram of collecting circuit

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4.096 V。ADC12062采用CMOS工藝，具有低功耗的特點(diǎn)，功耗為75 mW。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BOOT LOADER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[9]。BOOT LOADER程序基本流程圖如圖4所示。

圖4 啟動(dòng)程序流程圖Fig.4 Process flow diagram of starting program

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。

2）異常中斷處理。

異常向量表

異常初始化代碼

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。

圖5 數(shù)字相關(guān)算法流程圖Fig.5 Process flow diagram of digital correlation algorithm

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?。―IT）基2的FFT算法是較為合適的FFT算法[10]。

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(mǎn)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。

圖6 FFT算法流程圖Fig.6 Process flow diagram of FFT algorithm

圖7 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.7 Process flow diagram of data collection

圖8 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.8 Photograph of test site

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100 Hz，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0.12 nA。

圖9 電流源電流輸出隨輸入信號(hào)的變化曲線Fig.9 Changing output curve of current source which is the response of input signal

圖10 電流標(biāo)定值與微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的模擬部分電流測(cè)試值Fig.10 Calibration value of current and the test value of analogous circuit of weak signal decting system

圖11 電流標(biāo)定值與微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)模擬部分測(cè)試值之間的誤差曲線Fig.11 Deviation curve between the calibration value of current and the test value of analogous circuit of weak signal decting system

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。

圖12 電流標(biāo)定值與微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)電流測(cè)試值Fig.12 Calibration value of current and the test value of weak signal decting system

圖13 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Fig.13 Deviation curve between the calibration value of current and the test value of weak signal decting system

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Design of weak signal decting system based on ARM

ZHANG Ting，QIN Hua-wei
（Institute of Mechanical Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou310018，China）

to extract the weak signal with strong noise background，a scheme which combines hardware with software for realization of this this method is designed.In this method，the signals are detected and processed using the classical instrument magnifying technique and single-chip microcomputer control.The designing of front hardware is optimized to insure the precision of acquiring data.The system adopt ARM accomplishing the arithmetic of digital correlation，improving Signal-to-Noise Rate，acquiring weak signal which sheiled by vast powerful noise.Through the experiment of artificial low-frequency weak-signal detection，the system fully reveals its practicality and validity in the field of weak signal detection.

weak signal； instrumentation amplifier； improving SNR； digital correlation

TM933.2

A

1674－6236（2012）03-0023-05

2011-12-14 稿件編號(hào)：201112077

浙江省重大科技專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（2011C13025）

張 挺（1985—），男，浙江舟山人，碩士研究生。研究方向：機(jī)電系統(tǒng)集成與深海裝備技術(shù)。