基于ARM7的微弱信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(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，不同時(shí)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(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(shí)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(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(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(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。

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(shí)可以增強(qiáng)信號的驅(qū)動(dòng)能力。