基于A(yíng)RM的微伏信號在線(xiàn)監測系統

1 引言

在線(xiàn)監測系統中，待測信號幅值在50μV左右，而背景噪聲幅值在50mV以上，用一般的采集和測量系統無(wú)法準確檢測該信號。針對被背景噪聲覆蓋的微小信號，采用濾波降噪和差分放大手段，提高信噪比，保證待測信號能被準確采集；采用基于ARM核的32位微處理芯片S3C44B0X和基于μClinux操作系統的嵌入式圖形用戶(hù)界面MicroWindows，完成實(shí)時(shí)顯示測量結果和實(shí)現故障自動(dòng)報警，同時(shí)具有體積小、功耗低、操作靈活的特點(diǎn)，為實(shí)現微伏信號在線(xiàn)監測功能提供了一種良好的解決方案。

2 系統硬件設計

整個(gè)微伏信號在線(xiàn)監測系統硬件主要分為兩個(gè)部分，即前置放大電路和基于ARM的數據采集與顯示電路。

2.1 前置放大電路

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

本設計采用二階有源低通濾波器，經(jīng)實(shí)驗對比，取二階有源低通濾波器的截止頻率fH為200Hz，品質(zhì)因數Q為0.707，可使SNR達10以上，SNIR（信噪改善比）達10000以上。

在實(shí)際應用中發(fā)現，待測信號和監測系統之間的參考零電勢點(diǎn)之間存在電勢差，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(xiàn)流入被測信號的接地點(diǎn)，然后通過(guò)信號地線(xiàn)流入監測系統，又通過(guò)監測系統的接地點(diǎn)回到電源地線(xiàn)，導致在線(xiàn)監測的過(guò)程中地線(xiàn)上出現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算放大電路，不能準確放大和測量待測信號。因此本設計采用高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比的三運放差分放大電路，消除共模干擾，如圖2所示。

圖2 三運放差分放大電路

集成運放A1和A2都接成同相輸入、比例運算電路形式，這樣電路輸入阻抗很高。電路結構采用嚴格地對稱(chēng)形式，以使漂移、噪聲、失調電壓及失調電流等互相抵消。同時(shí)采用高精密電阻，以提高測量精度。將濾波后的信號線(xiàn)接入Vi+端口，而把信號地線(xiàn)接入Vi-端口，經(jīng)過(guò)三運放差分放大電路輸出電壓為：

經(jīng)實(shí)驗對比，本設計在強干擾環(huán)境下，對微伏信號有較好的放大效果。經(jīng)過(guò)前置放大后的信號，有效地消除了干擾和噪聲，具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，實(shí)驗結果如圖3所示。經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大后的信號，再經(jīng)過(guò)普通運算放大器進(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。

圖3 前置放大電路的線(xiàn)性關(guān)系

2.2 數據采集與顯示電路

本設計中數據采集和顯示電路的核心器件采用32位ARM7內核嵌入式處理器S3C44B0X。S3C44B0X內置部件有8通道10位ADC（模數轉換器）、8KB cache（高速緩存器）、內置SDRAM（同步動(dòng)態(tài)存儲器）、LCD控制器、2通道UART（通用異步收發(fā)器）、4通道DMA（直接存儲器存?。?、71個(gè)通用I/O端口等。

本設計中使用S3C44B0X完成A/D數據采集、LCD控制液晶顯示器、鍵盤(pán)輸入和故障報警四個(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，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RAM中的顯示緩沖區讀取顯示數據，提供給LCD控制器刷新液晶顯示屏。鍵盤(pán)和報警電路利用S3C44B0通用I/O端口進(jìn)行控制。

3 系統軟件設計

本系統軟件設計基于μClinux操作系統和MicroWindows圖形用戶(hù)界面。μClinux操作系統是從Linux內核派生而來(lái)，在標準的Linux基礎上進(jìn)行了適當的裁剪和優(yōu)化，具有易配置、體積小、易移植的優(yōu)點(diǎn)。用MicroWindows圖形用戶(hù)界面實(shí)現類(lèi)似桌面電腦的視窗效果，易于實(shí)現人機交互。

系統軟件包括操作系統自帶的設備驅動(dòng)程序、操作系統運行環(huán)境、根據用戶(hù)需要自定義的設備驅動(dòng)程序、封裝了底層驅動(dòng)的中間層接口程序、高級應用程序幾個(gè)部分。在本系統軟件設計中，分別在驅動(dòng)層和高級應用層程序中實(shí)現，其中高級應用層程序框圖如圖4所示。

圖4 高級應用程序框圖

高級應用程序的設計以控制算法為核心，多個(gè)任務(wù)為控制服務(wù)。系統內核定時(shí)將測得的數據通過(guò)回調函數傳遞給高級應用程序。高級應用程序為每個(gè)被測通道分配一個(gè)數據緩沖區，數據緩沖區是個(gè)含有10個(gè)無(wú)符號整型數的數組，GCC編譯器默認無(wú)符號整型數長(cháng)度為16位。測量電路中ADC為10位模數轉換器，緩沖區中的每個(gè)單元的低10位存儲數值，最高位為1表示該數據無(wú)效或者已經(jīng)被處理，為0表示該數據有效并等待處理，第10～14位表示數據編號，用以區分不同通道的數據。內核驅動(dòng)程序把測量數據按格式準備好后，回調函數把數據傳送給高級應用程序。應用程序只要使用“與”、“或”操作就可以提取數據類(lèi)型、實(shí)際數據等信息。

3.1 自定義設備驅動(dòng)

設備驅動(dòng)程序是操作系統和硬件設備之間的接口，它主要完成對設備初始化、實(shí)現內核和應用程序與設備之間的數據交換、檢測處理設備錯誤等功能。在μClinux操作系統使用設備文件的方式來(lái)進(jìn)行設備管理應用，一個(gè)具體的物理設備被映射為一個(gè)設備文件，用戶(hù)程序可以像對其它文件一樣對此設備文件進(jìn)行打開(kāi)、關(guān)閉、數據讀寫(xiě)等操作。

系統軟件設計中的驅動(dòng)層部分，除了使用μClinux操作系統自帶的設備驅動(dòng)程序以外，需要對外部設備編寫(xiě)自定義的設備驅動(dòng)程序，以滿(mǎn)足操作系統的要求。以字符設備為ADC為例，主要對其編寫(xiě)自定義的驅動(dòng)程序。使用結構體file_operations{}作為ADC字符設備的函數接口，內核通過(guò)這個(gè)函數接口來(lái)操作設備。自定義后的file_operations{}結構體如下：

struct file_operations ADC_fops = {

read: ADC_read, //從設備中讀數據操作

poll: ADC_poll, //查詢(xún)設備

ioctl: ADC_ioctl, //進(jìn)行讀、寫(xiě)以外的IO控制操作

open: ADC_open, //打開(kāi)設備

release: ADC_release, //關(guān)閉設備

……};

編寫(xiě)自定義的驅動(dòng)程序完成后，內核調用相應的函數即對ADC設備文件進(jìn)行open、ioctl等具體操作。

3.2 圖形用戶(hù)界面設計

圖形用戶(hù)界面（GUI）把圖形視窗引入到嵌入式平臺上，其友好的界面為大多數用戶(hù)所接受，也得到越來(lái)越廣泛的應用。本設計采用MicroWindows來(lái)實(shí)現圖形界面，以窗口形式顯示測量數據及其它參數。MicroWindows是一個(gè)較早出現的、開(kāi)放源碼的嵌入式圖形用戶(hù)界面軟件，它提供了比較完整的圖形功能，支持多種外部設備輸入，具有占用空間小、可移植性好的優(yōu)點(diǎn)。在μClinux操作系統上使用MicroWindows易于圖形程序的開(kāi)發(fā)。

MicroWindows采用了層次化結構：在底層提供設備的驅動(dòng)，在中間層通過(guò)一個(gè)可移植圖形引擎實(shí)現繪制多邊形、區域填充、使用顏色等，在頂層實(shí)現多種API以適應不同的應用環(huán)境。MicroWindows API 之間采用消息傳遞的基本通信機制。消息被儲存在應用程序的消息隊列中，不同消息對應不同的事件，核心的API通過(guò)傳遞對應相應事件的消息來(lái)實(shí)現各種功能，如窗口的創(chuàng )建、繪制、移動(dòng)等等。

在本設計中，編寫(xiě)基于Microwindows的應用程序，基本結構為初始化、創(chuàng )建窗口與資源、進(jìn)入消息循環(huán)三部分。主程序中相關(guān)部分如下所示：

int WINAPI WinMain()

{MwRegisterEditControl(NULL); // 申明不使用控件

wndclass.style= CS_DBLCLKS | CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;

wndclass.lpszClassName = szAppName; // 創(chuàng )建窗口屬性的結構體變量

RegisterClass(wndclass);

hwnd=CreateWindowEx(); //創(chuàng )建窗口

while (1)

{if(PeekMessage(msg,NULL,0,0,PM_REMOVE)) //消息查詢(xún)

{TranslateMessage(msg);DispatchMessage(msg);} //傳遞消息至窗口處理程序

ScanKey_function(); //掃描鍵盤(pán)

RxKeyvalue(hedit_Param);

……}}

在調用窗口創(chuàng )建函數CreateWindowEx()后，系統在內存中創(chuàng )建了一個(gè)虛擬的窗口，之后調用窗口顯示函數ShowWindow()就可將虛擬窗口顯示為可視窗口，成為Windows風(fēng)格的視窗界面。在本設計中，主程序運行時(shí)不斷調用提取消息函數PeekMessage()，查看消息隊列是否收到任務(wù)信息，當有信息產(chǎn)生時(shí)，就執行對應的消息處理函數。同時(shí)，在消息循環(huán)里也反復調用鍵盤(pán)緩沖區查詢(xún)函數RxKeyvalue ()，查看是否有鍵盤(pán)輸入，以便隨時(shí)響應。

4 抗干擾措施

在本設計中，采用低溫漂的基準穩壓電源為前置放大電路供電，并且在每個(gè)元件的電源管腳處加去耦電容。元器件選用高精度、漂移小的精密運算放大器；選用高精度、低溫漂的精密電阻；信號線(xiàn)采用雙絞線(xiàn)或屏蔽線(xiàn)。印刷板布線(xiàn)時(shí)，盡量縮短前置放大電路的信號線(xiàn)，并確保了電路接地、屏蔽良好。

5 結語(yǔ)

本文創(chuàng )新點(diǎn)在于設計和實(shí)現了一種基于A(yíng)RM的微伏信號在線(xiàn)監測系統，以差動(dòng)放大方式消除外界對測量信號的干擾，利用S3C44B0X微處理器和μClinux操作系統實(shí)現液晶屏顯示數據、人機交互和故障自動(dòng)報警功能，為實(shí)現微伏信號在線(xiàn)監測提供了一種體積小、功耗低、操作靈活的解決方案。本設計已投入使用，長(cháng)時(shí)間工作穩定。