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通常所用的數據采集系統，其采樣對象都為大信號，即有用信號幅值大于噪聲信號。但在一些特殊的場(chǎng)合，采集的信號很微弱，其幅值只有幾個(gè)μV，并且淹沒(méi)在大量的隨機噪聲中。此種情況下，一般的采集系統和測量方法無(wú)法檢測該信號。本采集系統硬件電路針對微弱小信號，優(yōu)化設計前端調理電路，利用測量放大器有效抑制共模信號（包括直流信號和交流信號），保證采集數據的精度要求。針對被背景噪聲覆蓋的微弱小信號特性，采用簡(jiǎn)單的時(shí)域信號的取樣積累平均方法，有利于減少算法實(shí)現難度。 DSP芯片因其具有哈佛結構、流水線(xiàn)操作、專(zhuān)用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期等特點(diǎn)，使其適合復雜的數字信號處理算法。本系統采用TI公司的TMS320C542作為處理器，通過(guò)外部中斷讀取ADC數據，并實(shí)現取樣累加平均算法。 1 取樣積累平均理論 微弱信號檢測（Weak Signal Detection）是研究從微弱信號中提取有用信息的方法。通過(guò)分析噪聲產(chǎn)生的原因和規律，利用被測信號的特點(diǎn)和相干性，檢測被背景噪聲覆蓋的有用信號。常用的微弱信號檢測方法有頻域信號的相干檢測、時(shí)域信號的積累平均、離散信號的計數技術(shù)、并行檢測方法。其中時(shí)域信號積累平均是常用的一種小信號檢測方法。 取樣是一種頻率壓縮技術(shù)，將一個(gè)高重復頻率信號通過(guò)逐點(diǎn)取樣將隨時(shí)間變化的模擬量，轉變成對時(shí)間變化的離散量的集合，從而可以測量低頻信號的幅值、相位或波形。時(shí)域信號的取樣積累方法是在信號周期內將時(shí)間分成若干間隔，在這些時(shí)間間隔內對信號進(jìn)行多次測量累加。時(shí)間間隔的大小取決于要求恢復信號的精度。某一點(diǎn)的取樣值都是信號和噪聲。 若要恢復的信號逼近真實(shí)信號，重復采樣的次數越多越好，取樣時(shí)間間隔必須要短。m的值越大及重復的次數越多，信號恢復的真實(shí)性越好。由于各方面的限制（如存儲器位數的制約），不可能做到任意多次的重復。 2 系統硬件設計 整個(gè)數據采集系統硬件電路包括前端調理電路和數據采集電路兩大部分。前端調理電路主要功能是消除共模干擾，對微弱小信號進(jìn)行放大、濾除、差分輸出，經(jīng)雙絞線(xiàn)傳輸至數據采集電路。數據采集電路完成數據采集并完成積累平均算法。 2.1 前端調理電路設計 前端調理電路由測量放大器、4階貝塞尓低通濾波器、差分輸出放大器構成（如圖1所示）。 2.2 采集電路設計 采集電路由差分放大器、增益放大器、A/D芯片、DSP、FLASH和CPLD組成（如圖3所示）。 采集電路啟動(dòng)時(shí)，由固化在TMS320C542內部ROM中的引導程序，將Flash中的應用程序自舉加載在DSP內部的SRAM中。DSP支持不同的加載方式，本系統采用8位并行I/O加載方式。加載程序完成以后，DSP脫離FLASH獨立運行SRAM中的應用程序。DSP的應用程序中有專(zhuān)門(mén)的中斷程序，響應外部中斷并讀取數據。在DSP內部SRAM運行應用程序，提高程序運行速度，降低對外部ROM的速度要求，提高系統的實(shí)時(shí)性。由于TMS320C542的通用I/O接口較少，因此使用一片XC9536作為通用的I/O的擴展接口。由于CPLD可重復擦寫(xiě)，TMS320C542通過(guò)CPLD對外設進(jìn)行地址編碼有很大的靈活性和可修改性。 3 系統軟件的設計 數據采集系統的軟件包括DSP初始化程序，中斷向量表，應用程序（包括響應外部中斷程序）。采集系統啟動(dòng)時(shí)首先運行DSP內部ROM固化的BOOT LOADER程序，將存儲在FLASH中的程序代碼加載到DSP內部RAM中。應用程序中首先是初始化程序，通過(guò)配置DSP內部寄存器，確定DSP具體的工作狀態(tài)，然后是中斷響應程序。中斷向量表對應DSP的各個(gè)中斷，包括硬件中斷和軟件中斷，DSP通過(guò)中斷向量表啟動(dòng)中斷程序。 本采集系統在陣列感應測井中應用，具體的算法簡(jiǎn)單歸結為采樣96個(gè)測試點(diǎn)，每點(diǎn)分別采樣4096次，將各點(diǎn)的采樣值累加，恢復微弱信號。本程序在DSP內部設一段連續的數據存儲器空間，用于存儲累加數據。最終的累加值的位數（12位采樣精度， 個(gè)采樣值疊加）為24位，每相鄰的2個(gè)字存儲空間存放一點(diǎn)的累加值。其程序簡(jiǎn)要如下： 本文介紹基于DSP芯片、利用取樣累加平均的方法，檢測強噪聲覆蓋的微弱信號的數據采集系統。本系統硬件電路設計可靠，抗干擾能力強，測量精度高。算法簡(jiǎn)單，易于DSP實(shí)現，滿(mǎn)足測井實(shí)時(shí)性的要求。 |
