基于ARM的微伏信號(hào)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，待測(cè)信號(hào)幅值在50μV左右，而背景噪聲幅值在50mV以上，用一般的采集和測(cè)量系統(tǒng)無法準(zhǔn)確檢測(cè)該信號(hào)。針對(duì)被背景噪聲覆蓋的微小信號(hào)，采用濾波降噪和差分放大手段，提高信噪比，保證待測(cè)信號(hào)能被準(zhǔn)確采集；采用基于ARM核的32位微處理芯片S3C44B0X和基于μClinux操作系統(tǒng)的嵌入式圖形用戶界面MicroWindows，完成實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果和實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)具有體積小、功耗低、操作靈活的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)微伏信號(hào)在線監(jiān)測(cè)功能提供了一種良好的解決方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)微伏信號(hào)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要分為兩個(gè)部分，即前置放大電路和基于ARM的數(shù)據(jù)采集與顯示電路，如圖1所示。

2.1 前置放大電路

待測(cè)信號(hào)幅值為50μV，而背景噪聲幅值在50mV以上，SNR（信噪比值）在1/1000以下，所以必須根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行降低噪聲功率，提高信噪比。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)與噪聲頻譜不重疊，噪聲頻率主要集中在高頻段。利用濾波器的頻率選擇特性，可設(shè)置低通濾波器，其通帶范圍能夠覆蓋信號(hào)的頻譜，使信號(hào)通過濾波器衰減很少，同時(shí)噪聲頻率處于通帶之外，通過濾波器后功率大幅度衰減，因此信噪比得以提高。

本設(shè)計(jì)采用二階有源低通濾波器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，取二階有源低通濾波器的截止頻率fH為200Hz，品質(zhì)因數(shù)Q為0.707，可使SNR達(dá)10以上，SNIR（信噪改善比）達(dá)10000以上。

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，待測(cè)信號(hào)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的參考零電勢(shì)點(diǎn)之間存在電勢(shì)差，由于兩者由同一電源供電，因而形成“地環(huán)流”。電流從電源地線流入被測(cè)信號(hào)的接地點(diǎn)，然后通過信號(hào)地線流入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，又通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接地點(diǎn)回到電源地線，導(dǎo)致在線監(jiān)測(cè)的過程中地線上出現(xiàn)很高的共模干擾噪聲。在這樣的工作環(huán)境下，使用普通的低溫漂高精度運(yùn)算放大電路，不能準(zhǔn)確放大和測(cè)量待測(cè)信號(hào)。因此本設(shè)計(jì)采用高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比的三運(yùn)放差分放大電路，消除共模干擾，如圖2所示。

圖2 三運(yùn)放差分放大電路

集成運(yùn)放A1和A2都接成同相輸入、比例運(yùn)算電路形式，這樣電路輸入阻抗很高。電路結(jié)構(gòu)采用嚴(yán)格地對(duì)稱形式，以使漂移、噪聲、失調(diào)電壓及失調(diào)電流等互相抵消。同時(shí)采用高精密電阻，以提高測(cè)量精度。將濾波后的信號(hào)線接入Vi+端口，而把信號(hào)地線接入Vi-端口，經(jīng)過三運(yùn)放差分放大電路輸出電壓為：

經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，本設(shè)計(jì)在強(qiáng)干擾環(huán)境下，對(duì)微伏信號(hào)有較好的放大效果。經(jīng)過前置放大后的信號(hào)，有效地消除了干擾和噪聲，具有良好的線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過差動(dòng)放大后的信號(hào)，再經(jīng)過普通運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓平移和放大，即可成為符合A/D采集要求的0~2.5V電壓?jiǎn)螛O性信號(hào)。

圖3 前置放大電路的線性關(guān)系

2.2 數(shù)據(jù)采集與顯示電路

本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集和顯示電路的核心器件采用32位ARM7內(nèi)核嵌入式處理器S3C44B0X。S3C44B0X內(nèi)置部件有8通道10位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、8KB cache（高速緩存器）、內(nèi)置SDRAM（同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器）、LCD控制器、2通道UART（通用異步收發(fā)器）、4通道DMA（直接存儲(chǔ)器存?。?1個(gè)通用I/O端口等。

本設(shè)計(jì)中使用S3C44B0X完成A/D數(shù)據(jù)采集、LCD控制液晶顯示器、鍵盤輸入和故障報(bào)警四個(gè)主要功能。經(jīng)前置放大電路處理完成之后的0~2.5V電壓電極性信號(hào)，由S3C44B0X的10位精度片上A/D采集到CPU中。S3C44B0自帶LCD控制器，利用DMA控制器從系統(tǒng)RAM中的顯示緩沖區(qū)讀取顯示數(shù)據(jù)，提供給LCD控制器刷新液晶顯示屏。鍵盤和報(bào)警電路利用S3C44B0通用I/O端口進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于μClinux操作系統(tǒng)和MicroWindows圖形用戶界面。μClinux操作系統(tǒng)是從Linux內(nèi)核派生而來，在標(biāo)準(zhǔn)的Linux基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，具有易配置、體積小、易移植的優(yōu)點(diǎn)。用MicroWindows圖形用戶界面實(shí)現(xiàn)類似桌面電腦的視窗效果，易于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)自帶的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、根據(jù)用戶需要自定義的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、封裝了底層驅(qū)動(dòng)的中間層接口程序、高級(jí)應(yīng)用程序幾個(gè)部分。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，分別在驅(qū)動(dòng)層和高級(jí)應(yīng)用層程序中實(shí)現(xiàn)，其中高級(jí)應(yīng)用層程序框圖如圖4所示。

圖4 高級(jí)應(yīng)用程序框圖