CN102213603A - 一种基于单片机的低频微弱信号检测仪 - Google Patents

Abstract

一种基于单片机的低频微弱信号检测仪，包括两个部分，前端是微弱信号的放大与预处理电路的设计，后端是数字处理部分；其中放大与预处理部分包括：输入滤波模块、缓冲处理模块、前置放大模块、高通滤波模块、低通滤波模块、50HZ陷波器和后级处理模块。该前端部分从大噪声背景下的低频微弱信号中检测出来，并送入后端部分进行数字处理。后端数字处理部分包括：AD采样模块、单片机模块、存储模块和无线发送模块。后端部分对输入的信号进行信号采集、FFT分析及无线发送，对信号有更加直观清晰的认识。本发明能够简单快速地检测低频微弱信号，且成本低。

Description

一种基于单片机的低频微弱信号检测仪

技术领域

本发明涉及一种基于单片机的低频微弱信号检测仪，可用于光学、电学、磁学、声学、力学、医学、材料等领域，属于信号处理领域。

背景技术

随着科学技术和生产的快速发展，需要测量物理量的微小变化。例如：微弱电压或电流，微弱的光等等。特别是在极端条件下的微弱信号的测量，已经成为深化认识自然，开拓新材料，创造新器件的基础。

一般来讲，很多非电量的微小变化都是可以通过传感器变成电信号然后进行放大，显示或记录。由于这些微小量的变化通过传感器转换成的电信号十分微弱，可能是10^-6V、10^-7V甚至是10^-9V或更小。对于这些微弱信号的检测，噪声和干扰是主要矛盾。噪声本身所具有的电压可能把有用的微弱信号深深地淹没掉。除了噪声以外，还有一些人为干扰和自然界的干扰。这些干扰和噪声来自于测量系统的外部。原则上可以采用电子屏蔽的方法使降到最小。但是，在实际工作中，要消除这些干扰或噪声，也不是轻而易举的事。

微弱信号检测技术就是要研究、观察、记录科研和生产中各种物理量的微小变化，解决在噪声或干扰中检测有用的微弱信号问题。一个放大器或者一个信号检测系统的作用就是在存在噪声和大量的干扰背景中选出有用的信号。然而，对于一般的放大器而言，由于噪声、干扰和信号混在一起，因此它将无用的噪声、干扰和有用的信号一起放大。只有当有用的信号大于噪声或干扰的情况下，这种放大器或者信号检测系统才能作为检测的有用工具。如果无用的噪声或干扰大于有用信号，通过放大器或者检测系统之后，不但不能提取到有用信号。放大器的输出还加进了放大器本身的噪声，使信号完全被噪声淹没得更深。即使将放大器视为理想的放大器，即不考虑放大器本身的噪声，也不过只能维持放大器输入端的信噪比。因为这种放大器并没有从信号和噪声本身的特性出发，而只能从信号和噪声共有的特性平均功率的大小来区分信号和噪声。只有从信号和噪声的特性出发，针对信号和噪声的不同特性，充分利用它们本身的特性的基础上拟订检测方法，才是最有效的，才有可能从噪声中检测信号。

常规的微弱信号检测方法主要包括时域的相关方法、取样积分方法和频域的谱分析方法等。然而，这些方法都有一定的局限性，主要表现在所能检测到的微弱信号的信噪比门限值比较高。并且根据这些方法设计的微弱信号检测仪具有硬件要求高，不易维护，成本高等不足。

随着计算机应用范围的扩大，原来在微弱信号检测中一些需要硬件完成的检测系统，可以用软件实现。利用计算机进行曲线拟合，平滑，数字滤波，快速傅立叶变换(FFT)及谱估计等方法处理信号，提高信噪比，实现微弱信号检测的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于单片机的低频微弱信号检测仪，它能够简单快速地检测低频微弱信号，且成本低，易维护。

本发明的技术解决方案：一种基于单片机的低频微弱信号检测仪。基于STC单片机的低频微弱信号检测仪，包括：微弱信号放大与预处理部分和数字处理部分。

所述微弱信号放大与预处理部分包括：输入滤波模块、缓冲处理模块、前置放大模块、高通滤波模块、低通滤波模块、50HZ陷波器和后级处理模块。未经处理的低频微弱信号首先进入输入滤波模块，进行RFI干扰净化处理；然后送入缓冲处理模块，以减少前级电路和后续放大电路的相关性；缓冲处理后，信号进入前置放大模块，将微伏级信号放大到毫伏级信号；由于第一级放大之前未引入电容隔直，为防止直流偏置，需要采取高通滤波模块予以滤除这部分干扰；而本发明处理的低频信号，为去除高频干扰，信号进入低通滤波模块；经过高低通滤波处理后，还得考虑信号中存在的工频干扰，为滤除这部分干扰，信号需要进行50HZ陷波处理；最后在信号进入数字处理之前，需要对信号进行后级放大和电平前移，以适合送入数字处理部分。

所述后端数字处理部分包括：AD采样模块、单片机模块、存储模块和无线发送模块。经过前端信号放大和预处理的信号首先送入AD模块，进行AD采样；采样得到的数据送给STC单片机，单片机的采样程序控制AD的具体采样速率；并将得到的数据送给存储模块，以便后面对采样数据进行FFT分析；FFT分析过后可将分析的数据无线发送给PC机，通过PC机来更好的了解信号的特性。在该数字处理部分还使用了液晶来显示采样后的波形以及进行FFT分析的频谱。

所述单片机进行FFT分析过程如下：

(1)首先将存储器的数据x(n)进行码位倒序，使在时域采样的按自然序列排列的N点输入数据经过FFT运算后，得到结果的输出数据的排列顺序发生变化，能够按自然序列排列；

(2)然后逐级进行蝶形运算，先算出该级蝶形运算的旋转因子，再进行复数乘法和加法；得到的结果作为该级蝶形中下一个元素进行运算的数据，逐级往下；

(3)最后对所有的数据运算完成，则FFT分析完成。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明是基于单片机，通过采用FFT分析能够简单快速地检测低频微弱信号，可以将100HZ以下的微伏级信号进行放大分析；并将检测到的信号通过液晶显示，易于调试和维护，表现出良好的人机交互，而且本发明具有易于维护、成本低等优点。

(2)本发明在前置放大模块中使用AD620设计了两级放大电路；两级放大电路可以减少后级电路所产生的噪声的影响，而AD620非常适合电池供电、便携式应用。

(3)本发明在设计低通滤波电路时使用Filter selection Wizard设计符合设计要求的三阶低通滤波器，可以省去选取滤波电路的繁杂。

(4)本发明在设计陷波器时，以往文献中，多使用双T型、文氏桥等电路，但是它们对电路元件的参数灵敏度很高，难以调试，因此采用了一个集成芯片UAF42设计陷波器，可以很方便地搭建和调试陷波电路。

(5)本发明两级放大加上高低通滤波和50HZ陷波可以快速方便放大微伏级信号，使数字处理部分接收到理想的处理信号。

(6)本发明输入滤波模块采用抗RFI干扰的滤波器净化电子干扰，对共模和差模噪声有较强的抑制作用，还具有输入过载保护功能，通过电阻R1，R2有助于将仪用放大器的输入电路与外部信号源隔离开来，C8跨接在电桥的输出端，能有效降低由失配引起的任何交流共模抑制误差。

(7)本发明测试时的放大器增益最高可达99.6dB，共模抑制比高达118dB。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的输入滤波模块的结构图；

图3为本发明的缓冲处理模块的结构图；

图4为本发明的前置放大模块的结构图；

图5为本发明中的高通滤波模块的结构图；

图6为本发明中的低通滤波模块的结构图；

图7为本发明中的50HZ陷波器结构图；

图8为本发明中的无线发送模块nRF905结构图；

图9为本发明中单片机中FFT频谱分析流程图。

具体实施方案

如图1所示，为本发明完整结构框图，包括微弱信号放大与预处理部分和数字处理部分。

微弱信号放大与预处理部分包括：输入滤波模块、缓冲处理模块、前置放大模块、高通滤波模块、低通滤波模块、50HZ陷波器和后级处理模块。未经处理的低频微弱信号首先进入输入滤波模块，进行RFI干扰净化处理；然后送入缓冲处理模块，以减少前级电路和后续放大电路的相关性；缓冲处理后，信号进入前置放大模块，将微伏级信号放大到毫伏级信号；由于第一级放大之前未引入电容隔直，为防止直流偏置，需要采取高通滤波模块予以滤除这部分干扰；而本发明处理的低频信号，为去除高频干扰，信号进入低通滤波模块；经过高低通滤波处理后，还得考虑信号中存在的工频干扰，为滤除这部分干扰，信号需要进行50HZ陷波处理；最后在信号进入数字处理之前，需要对信号进行后级放大和电平前移，以适合送入数字处理部分。

后端数字处理部分包括：AD采样模块、单片机模块、存储模块和无线发送模块。经过前端信号放大和预处理的信号首先送入AD模块，进行AD采样；采样得到的数据送给STC单片机，单片机的采样程序控制AD的具体采样速率；并将得到的数据送给存储模块，以便后面对采样数据进行FFT分析；FFT分析过后可将分析的数据无线发送给PC机，通过PC机来更好的了解信号的特性。在该数字处理部分还使用了液晶来显示采样后的波形以及进行FFT分析的频谱。

如图2所示，输入滤波模块：本发明采用抗RFI干扰的滤波器净化电子干扰，对共模和差模噪声有较强的抑制作用，还具有输入过载保护功能。输入滤波模块包括电阻R1，R2、电容C3、C10及电容C8；其中电阻R1和电容C3、电阻R2和电容C10构成了两个低通滤波器，对差模和共模噪声有较强的抑制作用；R1和R2分别作为信号正反输入端，有助于隔离输入电路与外部信号源，而电容C8则是跨接在两个低通滤波电路的输出端，能有效降低由失配引起的任何交流共模抑制误差。

现实生活中的无线电发射源是极其丰富的，如无线电台、手机、移动通信、计算机等等，数不胜数。在低频微弱信号检测仪前端主要使用仪用放大器进行前置放大，因为仪用放大器可以从大共模噪声或干扰中提取微弱差分信号，使系统的共模噪声大大减小。但是即使最好的仪用放大器在频率高于20KHz时实际也不能抑制共模噪声，放大器的输入级可能对强信号进行整流，然后以直流偏移误差的形式出现。随着电子系统的日益精密、复杂及多功能化，电子干扰问题日趋严重，它可使系统的性能发生变化、减弱，甚至导致系统完全失灵。所以抗RFI(Ratio Frequency Interfere)干扰的输入滤波器是必须的。

如图3所示，缓冲处理模块：可以提高整个放大电路的输入阻抗，降低输出阻抗，这样就可以在后面得到幅值较高的信号。同时还可以把前后电路隔离开，以减少前级电路与后续放大电路的相关性。

缓冲级是由一组电压跟随器组成，电压放大器的输入阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输出阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗。

如图4所示，前置放大模块：一般，在设计放大电路时，均是使用仪用放大器，使用集成的仪用放大器在性能上比分立元件构成的电路更好。放大器的选择有一定的原则：在满足给定输入、负载、精度及环境要求条件下，尽可能选用通用型、低成本的运放。根据集成运放的选用原则，分析实际使用条件，正确选择合适的运放，做到经济合理。依据选用原则和放大器之间的对比，本发明采用新型的高性能仪表放大器AD620作为低频微弱信号前置放大器的核心器件。本发明使用两级放大，第一级增益48dB，第二级增益20dB。这是因为，理论上，前置级电压增益越大，后级电路所造成的噪声的影响越小。但是单级放大倍数不能过高，所以本发明前置级电路分为两级放大。值得注意的是，在两级前置放大设计时，放大电路的共模抑制比主要取决于第一级的差动增益和第二级的共模抑制能力。所以第一级的增益应尽可能大，第二级的仪用运放共模抑制比要足够大。

如图5所示，高通滤波模块：主要是用于将电路中存在的易干扰电路的噪声滤除。本着设计应用对象为生物电的低频微弱信号，因此考虑到检测脑电和心电的情况下，设计了高通滤波模块。由于金属电极、导电介质与头皮之间的化学反应，电极与头皮表面之间容易产生直流偏压。由于人体中存在极化电位，这些电信号是直流信号而且经常会比较大，由于第一级放大之前不宜引入电容进行隔直处理，为防止直流偏置引起后续电路的饱和，为了消除这部分的干扰，需要采取高通滤波电路予以滤除。故在放大电路之后，需要设计一个高通滤波电路。在这里，对高通电路的性能上要求是不高，本发明使用现在通用的sallen-key拓扑结构的二阶高通滤波器，截止频率在0.5Hz。

如图6所示，低通滤波模块：由于本发明处理的是低频信号，为了去除高频的干扰，需要设计低通滤波电路。低通滤波器(LPF)采用归一化设计的BUTTERWORTH三阶低通滤波器。本发明将低通滤波器的截止频率定在100Hz，使用FilterLab2.0的Filterselection Wizard设计以上要求的低通滤波器。

如图7所示，50HZ陷波器：以滤除工频干扰。微弱信号中的干扰以50Hz工频干扰最为严重，工频干扰是由输电线、周围的仪器设备以及体内分布电容引起的。虽然前置放大器对共模干扰具有很强的抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的，加上电极和回路不稳定因素，模拟放大输出的信号中存在较强的工频干扰。因此陷波器是必须的，而且很关键。以往文献中，多数使用双T型、文氏桥等多种陷波电路，但是它们对电路元件的参数灵敏度很高，难以精确调试，在陷波频率的准确性和陷波深度上，达不到要求。因此发明采用Burr-Brown公司推出的集成滤波芯片UAF42设计50Hz陷波器。UAF42是一个集成的、时间连续、二阶有源滤波模块，适合复杂和简单的滤波设计方案。由于UAF42内部集成有所需的四级精密运算放大器、50±0.5％kΩ的精密电阻和1000±0.5pF的精密电容器，解决在有源滤波器的设计当中，难以获得电容、电阻的匹配以及较低的损耗问题。图7是本发明构成陷波器的基本电路，其中辅助运放用于求和放大，将低通和高通输出求和。

后级处理模块：主要是将信号进一步处理以便后面的数字部分可以采集到信号，主要包括后级增益可调放大和电平迁移电路。由于低频微弱信号本身幅值范围在0-4000μV，固定增益的放大器并不实用，所以最后级加入增益可调的放大电路。使用集成仪用运算放大器INA128设计电路，其典型电路与AD620相似，外围只需一个电阻可改变增益。低频微弱信号检测仪的数字部分AD采样，输入电压幅值在0～5V，因此在接数字处理部分前，需要将模拟放大的-5V～5V的信号进行电平迁移。

模数转化模块：本发明使用ADC0832将模拟信号转换为数字信号以便单片机进行处理，即AD采样。本发明采用ADC0832，它是美国半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道AD转换芯片。转换时间为32μs，串口控制输入输出。具体采样速率由单片机的采样程序决定。

单片机模块：本发明是基于STC89C58单片机的信号检测仪，接入各个模块后，单片机综合管理整个仪器运行；仪器核心处理器采用单片机实现，采用STC89C58RD+单片机，44个管脚，36个I/O端口，32K的flash memory，接入各个模块，综合管理整个仪器运行。STC单片机管脚排列与51单片机一样，同时也支持Keil C编程，但它不支持并口下载，它的主要特点：ISP在系统可编程，无需专用编程器/仿真器，可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序。51单片机有32个I/O端口，由于本方案模块数多，I/O口不够，所以使用另一种封装PLCC-44。多出P4口的四个端口。

存储模块：本发明使用AT24C64作为存储器，该芯片提供串行电可擦出可编程只读存储器EEPROM；AT系列的芯片采用I2C总线的技术实现了IO口资源的减少，而且使用方便，程序也易于编写。这里考虑到性价比，选用芯片AT24C64。AT24C64提供65536bit串行电可擦除可编程只读存储器EEPROM，组织为8192个8bit的字节。卡片是为以低功耗和低电压为要点的工商应用优化的。AT24C64可通过双线串行接口访问。它的内存组织是64K串行EEPROM：64K内部组织成256页，每页32字节。

如图8所示，无线发送模块：使用的NewMsg RF905模块是在Nordic公司的nRF905芯片基础上开发而成。nRF905是单片无线收发器，工作在433/868/915MHZ的ISM频段，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。电流消耗很低，在发射功率为+10dBm时发射电流为30mA，接收电流为12.5mA.。进入powerdown模式可以很容易实现节电。

使用nRF905注意点：与硬件相对应，正确配置nRF905的内部寄存器。使用SPI串行通信协议与微控制器通信。重要配置值如下表：

表1nRF905配置寄存器部分参数

如图9所示，为具体的FFT分析过程。本发明利用STC单片机对放大和预处理后的信号进行FFT分析。借助FFT频谱分析可以加强对低频微弱信号的识别作用。

本发明的FFT分析采用基2时域抽选算法，其基本思想是将x(n)按奇偶性分成两组，简化运算量，得到典型的蝶形运算单元。FFT的原理为：每级共有N/2个蝶形，共有log₂N级，从2点FFT逐渐累加FFT点数，直到计算完成。

具体FFT分析过程步骤如下：

(1)根据FFT运算的蝶形流图，其输出序列X(k)是按从小到大顺序排列的，而输入序列x(n)是按所谓的码位倒序排列的。码位倒序的排列规律是由FFT算法所决定的，如果要输入按自然顺序排列，则输出就会变成码位倒序排列；如果输出、输入均要按自然序排列，则蝶形流图的形状会发生扭转，造成不能即位运算，计算机内存增加等新问题。因此首先将存储器的数据x(n)进行码位倒序，码位倒序的含义是，序列在进入FFT算法之间，序列要重新排序，使之符合FFT算法要求。进行码位倒序的作用是使在时域采样的按自然序列排列的N点输入数据经过FFT运算后，得到结果的输出数据的排列顺序发生变化，能够按自然序列排列。

如果把十进制数换成二进制数，然后把这些二进制的首位至末位的顺序颠倒过来再重新换算成十进制数，这个十进制数的排列即码位倒序排列。下表是当N＝8时，自然顺序与码位倒序的比较。

表2自然顺序与码位倒序(N＝8)

十进制	二进制数	二进制数的码位倒序	码位倒序后的十进制数
				0	000	000	0
1	001	100	4

2	010	010	2
				3	011	110	6
4	100	001	1
				5	101	101	5
6	110	011	3
				7	111	111	7

由于x(n)是一个数组序列，根据该数组标号和N进行对比、左右移、取或和取和操作来实现码位倒序。

(2)然后逐级进行蝶形运算，先找出单级蝶形元素的个数l和算出该级蝶形运算的旋转因子W_N ^k，再进行复数乘法和加法。得到的结果作为该级蝶形运算下一个元素的数据，逐个元素进行运算，直到下一级。

旋转因子计算公式如下：

${W_N}^k=e^{-j\frac{2\mathrm{\πk}}{N}}$

进行如下复数乘法和加法：

X(j+k)＝X^(e)(k)+W_N ^kX^(o)(k)

X(j+k+1)＝X^(e)(k)-W_N ^kX^(o)(k)

得到的X(j+k)和X(j+k+1)作为下一个元素运算的数据。其中k控制每一级的蝶形运算，j控制x(n)的FFT运算按照l进行分组，N表示进行FFT运算的点数，在本发明中N＝64。通过比较j、k和l来判断是否对该级的所有元素运算完毕。

(3)完成一级蝶形中所有元素的元算后，进入下一级蝶形元算，用i来标记运算进行到第几级蝶形，通过比较i和M的大小来判断是否所有的元素运算完成，当i＞M时，则FFT完成。

由于FFT是复数运算，在STC单片机中，自定义复数数据结构，每个复数需要占用8个字节，STC单片机内存数据有限，所以本发明使用64点FFT进行频谱分析。

在最后的模拟低频微弱信号输入的测试中，本发明中放大器增益最高可达99.6dB，共模抑制比高达118dB。

数字处理部分可以实时采样并在液晶上绘制放大后的低频微弱信号波形；可以对采样数据进行FFT分析，绘制信号的频谱图；可以将采样数据无线发送给PC机。

Claims (9)

1.一种基于单片机的低频微弱信号检测仪，其特征在于包括：微弱信号放大与预处理部分，及数字处理部分；

所述微弱信号放大与预处理部分包括：输入滤波模块、缓冲处理模块、前置放大模块、高通滤波模块、低通滤波模块、50HZ陷波器和后级处理模块；未经处理的低频微弱信号首先进入输入滤波模块，进行RFI干扰净化处理；然后送入缓冲处理模块，以减少前级电路和后续放大电路的相关性；经过缓冲处理后的信号进入前置放大模块，将微伏级信号放大到毫伏级信号再送入高通滤波器，滤除使前置放大模块出现直流偏置的干扰信号，进入低通滤波模块，去除高频干扰后，进入50HZ陷波器中滤除工频干扰；最后在信号进入数字处理之前，通过后级处理模块对信号进行后级放大和电平前移，以适合送入数字处理部分；

所述数字处理部分包括：AD采样模块、单片机、存储模块和无线发送模块；经过微弱信号放大与预处理部分后的信号首先送入AD转换模块，进行AD采样；采样得到的数据送给STC单片机，单片机控制AD采样模块的采样速率，并将得到的数据送给存储模块，以便对采样数据进行FFT分析；经过STC单片机中的FFT分析过后可将分析的数据无线发送给PC机，得到信号的特性；在该数字处理部分还使用了液晶来显示采样后的波形以及进行FFT分析的频谱；

所述单片机进行FFT分析过程如下：

(1)首先将存储器的数据x(n)进行码位倒序，使在时域采样的按自然序列排列的N点输入数据经过FFT运算后，得到结果的输出数据的排列顺序发生变化，能够按自然序列排列；

(2)然后逐级进行蝶形运算，先算出该级蝶形运算的旋转因子，再进行复数乘法和加法；得到的结果作为该级蝶形中下一个元素进行运算的数据，逐级往下；

(3)最后对所有的数据运算完成，则FFT分析完成。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的低频微弱信号检测仪，其特征在于：所述输入滤波模块包括电阻R1，R2、电容C3、C10及电容C8；其中电阻R1和电容C3、电阻R2和电容C10构成了两个低通滤波器，对差模和共模噪声有较强的抑制作用；R1和R2分别作为信号正反输入端，有助于隔离输入电路与外部信号源，电容C8跨接在两个低通滤波电路的输出端，能有效降低由失配引起的任何交流共模抑制误差。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的低频微弱信号检测仪，其特征在于：所述缓冲处理模块采用一组跟随器作为缓冲器，可提高输入阻抗减低输出阻抗，还可将前后电路隔开，以减少前后电路的相关性。

4.根据权利要求1所述的基于单片机的低频微弱信号检测仪，其特征在于：所述前置放大模块采用AD620作为低频微弱信号前置放大器的核心器件，并使用两级放大，将微伏级信号进行放大。

5.根据权利要求1所述的基于单片机的低频微弱信号检测仪，其特征在于：所述高通滤波模块为一个二阶高通滤波器。

6.根据权利要求1所述的基于单片机的低频微弱信号检测仪，其特征在于：所述低通滤波模块为一个BUTTERWOETH三阶低通滤波器，用于将电路中存在的易干扰电路的噪声滤除。

7.根据权利要求1所述的基于单片机的低频微弱信号检测仪，其特征在于：所述50HZ陷波器采用Burr-Brown公司的集成滤波芯片UAF42设计50HZ滤波。

8.根据权利要求1所述的基于单片机的低频微弱信号检测仪，其特征在于：所述后级处理模块包括后级增益可调放大和电平迁移电路。

9.根据权利要求1所述的基于单片机的低频微弱信号检测仪，其特征在于：所述无线发送模块使用nRF905芯片可将信号发送至PC机。

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