基于ARM7的微弱信号采集系统设计与实现

3 系统软件设计

数据采集系统的软件包括ARM初始化程序、中断向量表和应用程序。

3．1 初始化程序和中断向量表

系统启动时首先运行ARM内部ROM的BOOTLOADER程序，通过这段程序，可以初始化硬件、建立内存空间映射图。BOOT LOADER程序基本流程图如图4所示。

1)存储器初始化主要配置芯片内外存储器介质映射和实现地址空间的特殊存储器。配置如下。



3．2 微弱信号处理算法的实现

本研究采用基于功率谱估计来实现数字相关算法，流程图如图5所示。

相关运算转变为功率谱计算，要对采集数据进行快速傅里叶变换(FFT)和快速傅里叶反变换(IFFT)，其中FFT傅里叶算法是该程序模块的重点，时间抽取(DIT)基2的FFT算法是较为合适的FFT算法。

图6是FFT算法实现的基本框图。在蝶形运算中，奇数序列和偶数序列分开计算，因此设计了偶数序列存储单元和奇数序列存储单元。



3. 3 AD数据采集软件的实现

ADC12062作为模数转换芯片，采用外部中断向ARM芯片报告数据转换完成，然后ARM读取数据到数据存储区，当数据存储区满后，上位机会启动数据处理程序和上位机传送数据程序。AD数据采集软件的流程图如图7所示。

4 试验研究

调试完毕后，对系统进行测试。与实验相关的设备主要包括：双路信号发生器AFG3102、示波器TDS2024B、双路直流稳压电源、双相DSP锁相放大器Signal Recovery 7265以及其他相关仪器。本实验通过锁相放大器的标定值与微弱信号检测系统的测量值进行对比，从而得出系统的性能参数，实验现场如图8所示。


4．1 系统模拟电路部分测试

根据溶解氧传感器输出的微弱电流信号的特点，设计了电流型恒流源来模拟产生微弱电流信号，采用电压转化为电流电路来设计纳安级电流源，并用锁相放大仪器7265对输出的电流值和相位进行标定。标定的电流信号的频率为100Hz，相位为0度，标定范围1．7～86.9 nA，如图9所示电流源输出随输入电压变化曲线。图10所示电流标定值与微弱信号检测系统模拟部分的电流测量值，其中标定值表示锁相放大器标定电流源的电流值，实测值表示由微弱信号检测系统模拟部分的测试电流源的测试值。图11所示电流标定值与微弱信号检测系统测量值之间的误差曲线，由均方差公式可得，电流精度为0．24 nA。


4．2 微弱信号检测系统整体测试

检测系统的模拟电路部分、数字部分和电脑界面整体构成一个模拟与数字的混合系统，即微弱信号检测系统。图12所示为电流标定值与微弱信号检测系统的电流测试值，其中标定值表示锁相放大器标定的电流源电流值，实测值表示由检测系统的测试电流源测试值。图13所示为电流标定值与微弱信号检测系统测试值之间的误差曲线，由均方差公式可得，电流精度为0．12nA。


5 结束语

该微弱信号检测系统的设计性能超过了低端芯片，又接近于高端仪器，能够测量1．7～86．9 nA电流信号，电流精度为0．12 nA，又实现了电路的小型化、简单化、形象化、低成本设计。利用ARM实现基于数字相关的算法，改善信噪比，有效恢复淹没于强背景噪声中的微弱信号。最后通过对模拟低频微弱信号的检测实验，充分显示了该系统在微弱信号检测方面的实用性和有效性。