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基于DSP的微弱信号检测采集系统设计

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（WeakSignalDetection）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BOOTLOADER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