基于DSP的微弱信号检测采集系统设计

摘要：介绍以TMS320C542为核心处理器的数据采集系统实现微弱信号检测。该系统优化硬件调理电路设计，保证采集数据的精度要求。利用DSP实现时域信号的取样积累平均算法，改善信噪比，有效恢复淹没于强背景噪声中的微弱信号。
关键词：微弱信号检测   精度   取样积累平均  改善信噪比

    通常所用的数据采集系统，其采样对象都为大信号，即有用信号幅值大于噪声信号。但在一些特殊的场合，采集的信号很微弱，其幅值只有几个μV，并且淹没在大量的随机噪声中。此种情况下，一般的采集系统和测量方法无法检测该信号。本采集系统硬件电路针对微弱小信号，优化设计前端调理电路，利用测量放大器有效抑制共模信号（包括直流信号和交流信号），保证采集数据的精度要求。针对被背景噪声覆盖的微弱小信号特性，采用简单的时域信号的取样积累平均方法，有利于减少算法实现难度。

    DSP芯片因其具有哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期等特点，使其适合复杂的数字信号处理算法。本系统采用TI公司的TMS320C542作为处理器，通过外部中断读取ADC数据，并实现取样累加平均算法。

1. 取样积累平均理论

    微弱信号检测（Weak Signal Detection）是研究从微弱信号中提取有用信息的方法。通过分析噪声产生的原因和规律，利用被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声覆盖的有用信号。常用的微弱信号检测方法有频域信号的相干检测、时域信号的积累平均、离散信号的计数技术、并行检测方法。其中时域信号积累平均是常用的一种小信号检测方法。

    取样是一种频率压缩技术，将一个高重复频率信号通过逐点取样将随时间变化的模拟量，转变成对时间变化的离散量的集合，从而可以测量低频信号的幅值、相位或波形。时域信号的取样积累方法是在信号周期内将时间分成若干间隔，在这些时间间隔内对信号进行多次测量累加。时间间隔的大小取决于要求恢复信号的精度。某一点的取样值都是信号和噪声

    若要恢复的信号逼近真实信号，重复采样的次数越多越好，取样时间间隔必须要短。m的值越大及重复的次数越多，信号恢复的真实性越好。由于各方面的限制（如存储器位数的制约），不可能做到任意多次的重复。

2.系统硬件设计

    整个数据采集系统硬件电路包括前端调理电路和数据采集电路两大部分。前端调理电路主要功能是消除共模干扰，对微弱小信号进行放大、滤除、差分输出，经双绞线传输至数据采集电路。数据采集电路完成数据采集并完成积累平均算法。

2.1前端调理电路设计
    前端调理电路由测量放大器、4阶贝塞尓低通滤波器、差分输出放大器构成（如图1所示）。

    数据采集系统中，若待测信号为很微弱的小信号，需要用放大器加以放大。通用运算放大器不能直接放大微弱信号，必须用测量放大器。测量放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在检测微弱信号的系统中广泛作为前置放大器。                      
 

    采用LINER公司的高性能运放LT1125作为测量放大器，其带宽为12.5MHZ，最大失调电压为70μv,共模抑制比为112db,转换速率为4.5V/μs。利用低功耗高速运放LT1355构成4阶贝塞尓低通滤波器，其截止频率为200HZ,摒除采集信号中的高频分量。为提高信号传输过程中的抗干扰能力，采用AD公司的高速差分输出放大器SSM2142，将单端信号通转换成差分信号，同时增加信号的驱动能力。差分信号经双绞线传输，抗干扰能力强，能有效抵消共模噪声、抑制EMI。

2.2采集电路设计
       采集电路由差分放大器、增益放大器、A/D芯片、DSP、FLASH和CPLD组成（如图3所示）。
     
    


    采集电路启动时，由固化在TMS320C542内部ROM中的引导程序，将Flash中的应用程序自举加载在DSP内部的SRAM中。DSP支持不同的加载方式，本系统采用8位并行I/O加载方式。加载程序完成以后，DSP脱离FLASH独立运行SRAM中的应用程序。DSP的应用程序中有专门的中断程序，响应外部中断并读取数据。在DSP内部SRAM运行应用程序，提高程序运行速度，降低对外部ROM的速度要求，提高系统的实时性。由于TMS320C542的通用I/O接口较少，因此使用一片XC9536作为通用的I/O的扩展接口。由于CPLD可重复擦写，TMS320C542通过CPLD对外设进行地址编码有很大的灵活性和可修改性。

3.系统软件的设计

    数据采集系统的软件包括DSP初始化程序，中断向量表，应用程序（包括响应外部中断程序）。采集系统启动时首先运行DSP内部ROM固化的BOOT LOADER程序，将存储在FLASH中的程序代码加载到DSP内部RAM中。应用程序中首先是初始化程序，通过配置DSP内部寄存器，确定DSP具体的工作状态，然后是中断响应程序。中断向量表对应DSP的各个中断，包括硬件中断和软件中断，DSP通过中断向量表启动中断程序。

    本采集系统在阵列感应测井中应用，具体的算法简单归结为采样96个测试点，每点分别采样4096次，将各点的采样值累加，恢复微弱信号。本程序在DSP内部设一段连续的数据存储器空间，用于存储累加数据。最终的累加值的位数（12位采样精度， 个采样值叠加）为24位，每相邻的2个字存储空间存放一点的累加值。其程序简要如下：

   本文介绍基于DSP芯片、利用取样累加平均的方法，检测强噪声覆盖的微弱信号的数据采集系统。本系统硬件电路设计可靠，抗干扰能力强，测量精度高。算法简单，易于DSP实现，满足测井实时性的要求。

参考文献
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[2] 曾庆勇.微弱信号检测（第二版）.杭州：浙江大学出版社，2003
[3] 王幸之 王雷著. 单片机应用系统抗干扰技术. 北京：北京航空航天出版社. 2001.3
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[5] TMS320C54X DSP Reference Set Volume 1-5 . TI Company ,2001