基于ARM的微伏信号在线监测系统

1 引言

在线监测系统中，待测信号幅值在50μV左右，而背景噪声幅值在50mV以上，用一般的采集和测量系统无法准确检测该信号。针对被背景噪声覆盖的微小信号，采用滤波降噪和差分放大手段，提高信噪比，保证待测信号能被准确采集；采用基于ARM核的32位微处理芯片S3C44B0X和基于μClinux操作系统的嵌入式图形用户界面MicroWindows，完成实时显示测量结果和实现故障自动报警，同时具有体积小、功耗低、操作灵活的特点，为实现微伏信号在线监测功能提供了一种良好的解决方案。

2 系统硬件设计

整个微伏信号在线监测系统硬件主要分为两个部分，即前置放大电路和基于ARM的数据采集与显示电路。

2.1 前置放大电路

待测信号幅值为50μV，而背景噪声幅值在50mV以上，SNR（信噪比值）在1/1000以下，所以必须根据信号特点进行降低噪声功率，提高信噪比。通过实验，发现信号与噪声频谱不重叠，噪声频率主要集中在高频段。利用滤波器的频率选择特性，可设置低通滤波器，其通带范围能够覆盖信号的频谱，使信号通过滤波器衰减很少，同时噪声频率处于通带之外，通过滤波器后功率大幅度衰减，因此信噪比得以提高。

本设计采用二阶有源低通滤波器，经实验对比，取二阶有源低通滤波器的截止频率fH为200Hz，品质因数Q为0.707，可使SNR达10以上，SNIR（信噪改善比）达10000以上。

在实际应用中发现，待测信号和监测系统之间的参考零电势点之间存在电势差，由于两者由同一电源供电，因而形成"地环流"。电流从电源地线流入被测信号的接地点，然后通过信号地线流入监测系统，又通过监测系统的接地点回到电源地线，导致在线监测的过程中地线上出现很高的共模干扰噪声。在这样的工作环境下，使用普通的低温漂高精度运算放大电路，不能准确放大和测量待测信号。因此本设计采用高增益、高输入阻抗和高共模抑制比的三运放差分放大电路，消除共模干扰，如图2所示。

图2 三运放差分放大电路

集成运放A1和A2都接成同相输入、比例运算电路形式，这样电路输入阻抗很高。电路结构采用严格地对称形式，以使漂移、噪声、失调电压及失调电流等互相抵消。同时采用高精密电阻，以提高测量精度。将滤波后的信号线接入Vi+端口，而把信号地线接入Vi-端口，经过三运放差分放大电路输出电压为：

经实验对比，本设计在强干扰环境下，对微伏信号有较好的放大效果。经过前置放大后的信号，有效地消除了干扰和噪声，具有良好的线性关系，实验结果如图3所示。经过差动放大后的信号，再经过普通运算放大器进行电压平移和放大，即可成为符合A/D采集要求的0~2.5V电压单极性信号。

图3 前置放大电路的线性关系

2.2 数据采集与显示电路

本设计中数据采集和显示电路的核心器件采用32位ARM7内核嵌入式处理器S3C44B0X。S3C44B0X内置部件有8通道10位ADC（模数转换器）、8KB cache（高速缓存器）、内置SDRAM（同步动态存储器）、LCD控制器、2通道UART（通用异步收发器）、4通道DMA（直接存储器存取）、71个通用I/O端口等。

本设计中使用S3C44B0X完成A/D数据采集、LCD控制液晶显示器、键盘输入和故障报警四个主要功能。经前置放大电路处理完成之后的0~2.5V电压电极性信号，由S3C44B0X的10位精度片上A/D采集到CPU中。S3C44B0自带LCD控制器，利用DMA控制器从系统RAM中的显示缓冲区读取显示数据，提供给LCD控制器刷新液晶显示屏。键盘和报警电路利用S3C44B0通用I/O端口进行控制。

3 系统软件设计

本系统软件设计基于μClinux操作系统和MicroWindows图形用户界面。μClinux操作系统是从Linux内核派生而来，在标准的Linux基础上进行了适当的裁剪和优化，具有易配置、体积小、易移植的优点。用MicroWindows图形用户界面实现类似桌面电脑的视窗效果，易于实现人机交互。

系统软件包括操作系统自带的设备驱动程序、操作系统运行环境、根据用户需要自定义的设备驱动程序、封装了底层驱动的中间层接口程序、高级应用程序几个部分。在本系统软件设计中，分别在驱动层和高级应用层程序中实现，其中高级应用层程序框图如图4所示。

图4 高级应用程序框图

高级应用程序的设计以控制算法为核心，多个任务为控制服务。系统内核定时将测得的数据通过回调函数传递给高级应用程序。高级应用程序为每个被测通道分配一个数据缓冲区，数据缓冲区是个含有10个无符号整型数的数组，GCC编译器默认无符号整型数长度为16位。测量电路中ADC为10位模数转换器，缓冲区中的每个单元的低10位存储数值，最高位为1表示该数据无效或者已经被处理，为0表示该数据有效并等待处理，第1