基于ARM的微弱信號(hào)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(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)淹沒于強(qiáng)背景噪聲中的微弱信號(hào)。最后通過對(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。
關(guān)鍵詞：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。這種情況下，僅僅采用放大器和濾渡器無法有效的檢測(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(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)原理來實(shí)現(xiàn)淹沒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：

式中當(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)。DFT有其快速的算法FFT。對(duì)于IFFT，由于經(jīng)過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。