基于ARM的微弱信號采集系統(tǒng)的設計

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合的實現(xiàn)方案。采用儀表放大技術和單片機控制技術相結合對數(shù)據(jù)進行檢測和處理。該系統(tǒng)優(yōu)化硬件調(diào)理電路設計，保證采集數(shù)據(jù)的精度要求。利用ARM實現(xiàn)基于數(shù)字相關的算法，改善信噪比，有效恢復淹沒于強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驗，充分顯示了該系統(tǒng)在微弱信號檢測方面的實用性和有效性。
關鍵詞：微弱信號；儀表放大器；改善信噪比；數(shù)字相關

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遠大于噪聲，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的相關性，而噪聲一般都是隨機信號，不同時刻其相關性較差。相關檢測技術就是基于信號與噪聲統(tǒng)計學的特點，充分利用它們的相關性，從而實現(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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的算法；
3)負責與上位機進行通訊。
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)，并實現(xiàn)基于數(shù)字相關的算法。

1 基于數(shù)字相關檢測的算法
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、離散信號計數(shù)技術、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運算。利用信號和噪聲不相關的特點，采用互相關檢測原理來實現(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、不適合小型化集成系統(tǒng)。如果把相關運算轉換成功率譜計算，就完全可以利用數(shù)字相關運算來代替LIA，從而克服模擬鎖定放大器的缺點。根據(jù)維納-辛欽定理，功率信號的自相關函數(shù)和其功率譜是一對傅里葉變換，因此可將LIA中的相關運算轉換為功率譜計算，采用軟件來實現(xiàn)相關運算，就可以用數(shù)學電路代替模擬模擬鎖定放大器。
1．1 檢測原理
設被測信號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)的自相關函數(shù)為：
Rxx(m)=Rss(m)+Rsη(m)+Rηη(m) (2)
式中Rss(m)——s(n)的自相關函數(shù)；Rsη——s(n)與η(n)的互相關函數(shù)；Rηs(m)——η(n)與s(n)的互相關函數(shù)；Rηη(m)——η(n)的自相關函數(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)來計算自相關函數(shù)。然而在實際中x(n)只有N個觀察值，故求出的Rs(m)是自相關的一個估計值。用FFT計算自相關時，x(n)須補N-1個零，使其長度為2N-1。因此自功率譜為：

式中當n=2N-1時的離散傅里葉變換(DFT)。
功率譜估計算法實現(xiàn)數(shù)字相關運算的重點是離散傅里葉變換(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)為實信號，因此可采用快逮有效的實數(shù)FET算法。

2 系統(tǒng)硬件設計
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)理電路設計
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構，因此有很強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，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。