基于ARM的微弱信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為提取噪聲背景下的微弱信號，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)合對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和處理。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)淹沒于強(qiáng)背景噪聲中的微弱信號。最后通過對模擬低頻微弱電流信號的檢測實(shí)驗(yàn)，充分顯示了該系統(tǒng)在微弱信號檢測方面的實(shí)用性和有效性。
關(guān)鍵詞：微弱信號；儀表放大器；改善信噪比；數(shù)字相關(guān)

    對于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，其采集對象一般都為大信號，即有用信號的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噪聲，然而在一些特殊的場合，采集到的信號往往很微弱，并且常常被隨機(jī)噪聲所淹沒。這種情況下，僅僅采用放大器和濾渡器無法有效的檢測出微弱有用信號。本系統(tǒng)硬件電路針對溶解氧傳感器輸出的微弱低頻電流信號，利用儀表放大器有效抑制共模噪聲，通過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。
    由于確定信號在不同時刻取值具有很強(qiáng)的相關(guān)性，而噪聲一般都是隨機(jī)信號，不同時刻其相關(guān)性較差。相關(guān)檢測技術(shù)就是基于信號與噪聲統(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)微弱信號的提取和降噪的目的。針對被淹沒在噪聲中的信號，采用數(shù)字相關(guān)檢測算法可以排除噪聲。
    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個功能：
    1)起動AD，控制數(shù)據(jù)的存儲和傳輸；
    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芯片是高性價比的16／32位RSIC微控制器，非常適合低功耗的場合。本系統(tǒng)采用S3C4510B作為處理器，通過外部中斷讀取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)檢測的算法
    微弱信號檢測的主要目的就是從被噪聲淹沒的信號中提取有用信號。目前常用的檢測方法有頻域信號相干檢測、時域信號積累平均、離散信號計(jì)數(shù)技術(shù)、并行檢測方法。其中頻域信號信號相干檢測是常用的一種方法。
    傳統(tǒng)的相干檢測方法是將信號通過前置低通濾波器濾波之后，再通過鎖定模擬放大器(LIA)和參考通道信號完成相關(guān)運(yùn)算。利用信號和噪聲不相關(guān)的特點(diǎn)，采用互相關(guān)檢測原理來實(shí)現(xiàn)淹沒在噪聲背景下的微弱信號的提取。雖然LIA速度快，但也存在溫度漂移、噪聲、價格昂貴、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，功率信號的自相關(guān)函數(shù)和其功率譜是一對傅里葉變換，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 檢測原理
    設(shè)被測信號x(n)由有用信號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)可簡記為R(m)。
   
    根據(jù)維納-辛欽定理，功率信號的自相關(guān)函數(shù)和其功率譜是一對傅里葉變換，因此可用快速傅里葉變換(FFT)來計(jì)算自相關(guān)函數(shù)。然而在實(shí)際中x(n)只有N個觀察值，故求出的Rs(m)是自相關(guān)的一個估計(jì)值。用FFT計(jì)算自相關(guān)時，x(n)須補(bǔ)N-1個零，使其長度為2N-1。因此自功率譜為：

    式中當(dāng)n=2N-1時的離散傅里葉變換(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)。DFT有其快速的算法FFT。對于IFFT，由于經(jīng)過AD采集的數(shù)據(jù)為實(shí)信號，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，主要由模擬信號檢測、濾波放大、數(shù)據(jù)采集處理、信號通信傳輸電路組成。

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，若采集的信號為微弱信號，必須用放大器放大。然而通用放大器不適合放大微弱信號，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。
    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。

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    在對微弱信號進(jìn)行檢測的過程中，集成運(yùn)放對電路的干擾很大，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、較大的開環(huán)放大倍數(shù)。特別是在電流電壓轉(zhuǎn)換級，對集成運(yùn)放的要求較高，如果輸入電流在nA級，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，為減小嗓聲在信號傳輸過程中對信號的干擾，采用差分輸出放大器SSM2142，將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號進(jìn)行傳輸，同時可以增強(qiáng)信號的驅(qū)動能力。
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將輸入的差分信號再次轉(zhuǎn)換成單端信號。高速運(yùn)放LT1355將單端信號放大，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)啟動時首先運(yùn)行ARM內(nèi)部ROM的BOOTLOADER程序，通過這段程序，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)存儲器初始化主要配置芯片內(nèi)外存儲器介質(zhì)映射和實(shí)現(xiàn)地址空間的特殊存儲器。配置如下。
   
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3．2 微弱信號處理算法的實(shí)現(xiàn)
    本研究采用基于功率譜估計(jì)來實(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)序列分開計(jì)算，因此設(shè)計(jì)了偶數(shù)序列存儲單元和奇數(shù)序列存儲單元。
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)存儲區(qū)，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲區(qū)滿后，上位機(jī)會啟動數(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，對系統(tǒng)進(jìn)行測試。與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的設(shè)備主要包括：雙路信號發(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)通過鎖相放大器的標(biāo)定值與微弱信號檢測系統(tǒng)的測量值進(jìn)行對比，從而得出系統(tǒng)的性能參數(shù)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖8所示。

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4．1 系統(tǒng)模擬電路部分測試
    根據(jù)溶解氧傳感器輸出的微弱電流信號的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電流型恒流源來模擬產(chǎn)生微弱電流信號，采用電壓轉(zhuǎn)化為電流電路來設(shè)計(jì)納安級電流源，并用鎖相放大儀器7265對輸出的電流值和相位進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的電流信號的頻率為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)定值與微弱信號檢測系統(tǒng)模擬部分的電流測量值，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)測值表示由微弱信號檢測系統(tǒng)模擬部分的測試電流源的測試值。圖11所示電流標(biāo)定值與微弱信號檢測系統(tǒng)測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 微弱信號檢測系統(tǒng)整體測試
    檢測系統(tǒng)的模擬電路部分、數(shù)字部分和電腦界面整體構(gòu)成一個模擬與數(shù)字的混合系統(tǒng)，即微弱信號檢測系統(tǒng)。圖12所示為電流標(biāo)定值與微弱信號檢測系統(tǒng)的電流測試值，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)測值表示由檢測系統(tǒng)的測試電流源測試值。圖13所示為電流標(biāo)定值與微弱信號檢測系統(tǒng)測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
    該微弱信號檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能超過了低端芯片，又接近于高端儀器，能夠測量1．7～86．9 nA電流信號，電流精度為0．12 nA，又實(shí)現(xiàn)了電路的小型化、簡單化、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)淹沒于強(qiáng)背景噪聲中的微弱信號。最后通過對模擬低頻微弱信號的檢測實(shí)驗(yàn)，充分顯示了該系統(tǒng)在微弱信號檢測方面的實(shí)用性和有效性。