基于DSP的微弱信號(hào)檢測(cè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹以TMS320C542為核心處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測(cè)。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DSP實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)的取樣積累平均算法，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)。
關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)檢測(cè)   精度   取樣積累平均  改善信噪比

    通常所用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其采樣對(duì)象都為大信號(hào)，即有用信號(hào)幅值大于噪聲信號(hào)。但在一些特殊的場(chǎng)合，采集的信號(hào)很微弱，其幅值只有幾個(gè)μV，并且淹沒(méi)在大量的隨機(jī)噪聲中。此種情況下，一般的采集系統(tǒng)和測(cè)量方法無(wú)法檢測(cè)該信號(hào)。本采集系統(tǒng)硬件電路針對(duì)微弱小信號(hào)，優(yōu)化設(shè)計(jì)前端調(diào)理電路，利用測(cè)量放大器有效抑制共模信號(hào)（包括直流信號(hào)和交流信號(hào)），保證采集數(shù)據(jù)的精度要求。針對(duì)被背景噪聲覆蓋的微弱小信號(hào)特性，采用簡(jiǎn)單的時(shí)域信號(hào)的取樣積累平均方法，有利于減少算法實(shí)現(xiàn)難度。

    DSP芯片因其具有哈佛結(jié)構(gòu)、流水線(xiàn)操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期等特點(diǎn)，使其適合復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320C542作為處理器，通過(guò)外部中斷讀取ADC數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)取樣累加平均算法。

1. 取樣積累平均理論

    微弱信號(hào)檢測(cè)（Weak Signal Detection）是研究從微弱信號(hào)中提取有用信息的方法。通過(guò)分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，利用被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)和相干性，檢測(cè)被背景噪聲覆蓋的有用信號(hào)。常用的微弱信號(hào)檢測(cè)方法有頻域信號(hào)的相干檢測(cè)、時(shí)域信號(hào)的積累平均、離散信號(hào)的計(jì)數(shù)技術(shù)、并行檢測(cè)方法。其中時(shí)域信號(hào)積累平均是常用的一種小信號(hào)檢測(cè)方法。

    取樣是一種頻率壓縮技術(shù)，將一個(gè)高重復(fù)頻率信號(hào)通過(guò)逐點(diǎn)取樣將隨時(shí)間變化的模擬量，轉(zhuǎn)變成對(duì)時(shí)間變化的離散量的集合，從而可以測(cè)量低頻信號(hào)的幅值、相位或波形。時(shí)域信號(hào)的取樣積累方法是在信號(hào)周期內(nèi)將時(shí)間分成若干間隔，在這些時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次測(cè)量累加。時(shí)間間隔的大小取決于要求恢復(fù)信號(hào)的精度。某一點(diǎn)的取樣值都是信號(hào)和噪聲

    若要恢復(fù)的信號(hào)逼近真實(shí)信號(hào)，重復(fù)采樣的次數(shù)越多越好，取樣時(shí)間間隔必須要短。m的值越大及重復(fù)的次數(shù)越多，信號(hào)恢復(fù)的真實(shí)性越好。由于各方面的限制（如存儲(chǔ)器位數(shù)的制約），不可能做到任意多次的重復(fù)。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路包括前端調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路兩大部分。前端調(diào)理電路主要功能是消除共模干擾，對(duì)微弱小信號(hào)進(jìn)行放大、濾除、差分輸出，經(jīng)雙絞線(xiàn)傳輸至數(shù)據(jù)采集電路。數(shù)據(jù)采集電路完成數(shù)據(jù)采集并完成積累平均算法。

2.1前端調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    前端調(diào)理電路由測(cè)量放大器、4階貝塞尓低通濾波器、差分輸出放大器構(gòu)成（如圖1所示）。

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，若待測(cè)信號(hào)為很微弱的小信號(hào)，需要用放大器加以放大。通用運(yùn)算放大器不能直接放大微弱信號(hào)，必須用測(cè)量放大器。測(cè)量放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)，在檢測(cè)微弱信號(hào)的系統(tǒng)中廣泛作為前置放大器。                      
 

    采用LINER公司的高性能運(yùn)放LT1125作為測(cè)量放大器，其帶寬為12.5MHZ，最大失調(diào)電壓為70μv,共模抑制比為112db,轉(zhuǎn)換速率為4.5V/μs。利用低功耗高速運(yùn)放LT1355構(gòu)成4階貝塞尓低通濾波器，其截止頻率為200HZ,摒除采集信號(hào)中的高頻分量。為提高信號(hào)傳輸過(guò)程中的抗干擾能力，采用AD公司的高速差分輸出放大器SSM2142，將單端信號(hào)通轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，同時(shí)增加信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。差分信號(hào)經(jīng)雙絞線(xiàn)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，能有效抵消共模噪聲、抑制EMI。

2.2采集電路設(shè)計(jì)
       采集電路由差分放大器、增益放大器、A/D芯片、DSP、FLASH和CPLD組成（如圖3所示）。
     
    


    采集電路啟動(dòng)時(shí)，由固化在TMS320C542內(nèi)部ROM中的引導(dǎo)程序，將Flash中的應(yīng)用程序自舉加載在DSP內(nèi)部的SRAM中。DSP支持不同的加載方式，本系統(tǒng)采用8位并行I/O加載方式。加載程序完成以后，DSP脫離FLASH獨(dú)立運(yùn)行SRAM中的應(yīng)用程序。DSP的應(yīng)用程序中有專(zhuān)門(mén)的中斷程序，響應(yīng)外部中斷并讀取數(shù)據(jù)。在DSP內(nèi)部SRAM運(yùn)行應(yīng)用程序，提高程序運(yùn)行速度，降低對(duì)外部ROM的速度要求，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。由于TMS320C542的通用I/O接口較少，因此使用一片XC9536作為通用的I/O的擴(kuò)展接口。由于CPLD可重復(fù)擦寫(xiě)，TMS320C542通過(guò)CPLD對(duì)外設(shè)進(jìn)行地址編碼有很大的靈活性和可修改性。

3.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件包括DSP初始化程序，中斷向量表，應(yīng)用程序（包括響應(yīng)外部中斷程序）。采集系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先運(yùn)行DSP內(nèi)部ROM固化的BOOT LOADER程序，將存儲(chǔ)在FLASH中的程序代碼加載到DSP內(nèi)部RAM中。應(yīng)用程序中首先是初始化程序，通過(guò)配置DSP內(nèi)部寄存器，確定DSP具體的工作狀態(tài)，然后是中斷響應(yīng)程序。中斷向量表對(duì)應(yīng)DSP的各個(gè)中斷，包括硬件中斷和軟件中斷，DSP通過(guò)中斷向量表啟動(dòng)中斷程序。

    本采集系統(tǒng)在陣列感應(yīng)測(cè)井中應(yīng)用，具體的算法簡(jiǎn)單歸結(jié)為采樣96個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每點(diǎn)分別采樣4096次，將各點(diǎn)的采樣值累加，恢復(fù)微弱信號(hào)。本程序在DSP內(nèi)部設(shè)一段連續(xù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，用于存儲(chǔ)累加數(shù)據(jù)。最終的累加值的位數(shù)（12位采樣精度， 個(gè)采樣值疊加）為24位，每相鄰的2個(gè)字存儲(chǔ)空間存放一點(diǎn)的累加值。其程序簡(jiǎn)要如下：

   本文介紹基于DSP芯片、利用取樣累加平均的方法，檢測(cè)強(qiáng)噪聲覆蓋的微弱信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)可靠，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高。算法簡(jiǎn)單，易于DSP實(shí)現(xiàn)，滿(mǎn)足測(cè)井實(shí)時(shí)性的要求。

參考文獻(xiàn)
[1] 陳佳圭.微弱信號(hào)檢測(cè).北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1987
[2] 曾慶勇.微弱信號(hào)檢測(cè)（第二版）.杭州：浙江大學(xué)出版社，2003
[3] 王幸之 王雷著. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù). 北京：北京航空航天出版社. 2001.3
[4 ] 王念旭. DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京航天航空大學(xué)出版社，2002.7
[5] TMS320C54X DSP Reference Set Volume 1-5 . TI Company ,2001