微弱信号采集系统的USB实现..doc

微弱信号采集系统的USB实现在一些特殊的场合，需要采集的信号很微弱，而且被大量的噪声所淹没。采用专门的检测设备和方法才能采集到有用信号，本设计采用低噪声前置放大器和混沌算法来采集微弱信号。为了便于分析和显示，在上位机上采用Labview来再现信号波形，因此如何实现微处理器与上位机之间的通信是本设计的关键。USB接口具有连接方便，通用性好，支持热插拔等特点，因此本设计选用USB接口，与上位机进行通信。 1 系统结构 本文设计的微弱信号采集系统硬件结构框图如图1所示。本设计硬件分为放大器和数据采集两部分。为了检测噪声中的微弱信号必须采用放大器对信号进行滤波放大，前置放大器在不破坏有用信号的同时对噪声进行最大限度的抑制；低噪声放大器主要完成滤波和对信号的进一步放大；程控放大器使信号便于显示和分析。通过放大器放大的信号经过数据采集部分传输至上位机进行分析和显示。数据采集部分由A/D模块，ARM处理器和USB接口三部分组成。A/D模块完成信号由模拟量到数字量的转换；ARM处理器完成对数据的优化处理；USB接口完成微处理器与上位机之间的数据传输。 ??????????????????????? ??图1 微弱信号采集系统硬件结构框图 2 系统硬件设计 2.1 放大器部分设计 本文中前置放大器的设计，紧紧抓住了噪声指标来分析、计算并设计电路。在解决了噪声指标的前提下，又解决了输入阻抗、输出阻抗、电压增益、频带宽度及稳定性等噪声指标。器件方面电阻选择高精度的线绕电阻，普通电容选择陶瓷电容，电解电容选择钽电容，电位器选择线绕多圈电位器，选用源电阻范围较宽的结型场效应管3DJ7C以共源组态搭成差分放大电路。为获得最小噪声系数在设计中进行了噪声匹配，即寻求最佳源电阻使噪声系数最小。本设计中采用调节集电极电流的方法进行噪声匹配，该方法调节简单又不增加成本[1]。 低噪声放大器由三部分组成，高性能运放LT1125作为测量放大器接收前置放大器输出的信号；利用低功耗高速运放LT1355构成低通滤波器，摒除采集信号中的高频分量；高速运放LT1355将信号再次放大[2]，使其幅值介于A/D芯片模拟信号输入电压范围内。 程控放大器选用AD7520的DAC芯片作为一个可编程的电阻网络来实现可控增益，增益倍数在1-1024之间可调。，利用ARM的通用I/O口调节放大器的增益倍数。 2.2 数据采集部分设计 A/D模块选用AD574芯片，AD574是AD公司生产的12位逐次逼近型ADC ,它的转换速度为25 ?, 转换精度为0.05% ,能够达到本设计的要求。ARM处理器选用三星公司的S3C4510B作为主控制芯片。外扩了2M的Flash，作为程序存储器，实现数据采集传送；16M的SDRAM作为程序运行空间，数据及堆栈区[3,4]。USB接口选用PDIUSBD12作为USB的控制芯片，完成与上位机的数据通信。 A/D模块与ARM处理器之间的接口设计 S3C4510B的ADDR0接AD574的 ，控制数据转换与读出，当地址为0x3FD4000，启动转换，当地址为0x3FD4001时，启动读取数据； 同 接与非门作为AD574的片启动信号； 作为AD574的片选信号；外部中断引脚GPIO9接AD574的STS引脚，采用中断方式来读取AD574转换后的数据；A0接低电平，AD574进行全12位转换； 接高电平，12位数据线同时输出。AD574的12位数据总线与ARM的数据总线相连。 ARM处理器与USB接口之间的接口设计 PDIUSBD12与S3C4510B的数据交换采用中断方式，其中断可通过外部中断0(GPIO12)来完成。在这一方式下，S3C4510B通过控制PDIUSBD12来使集线器与主机通信并完成USB协议的处理(即PDIUSBD12的固件)。 将PDIUSBD12映射到S3C4510B的I/OBank0，nECS0作为PDIUSBD12的片选，PDIUSBD12的8位数据总线与ARM的数据总线相连，电路采用非地址数据复用方式，即将ADDR0作为PDIUSBD12的命令/数据选择线，当ADDR0为高时，DATA[0...7]上收到的是命令字，ADDR0为低时，表明的是数据，通过这种方式，PDIUSBD12可以拥有独立的命令和数据端口。 PDIUSBD12的GL_N管脚接发光二极管(LED)后加电阻接高电平，D12的状态输出状态可以通过该LED进行监控，当该USB设备连接建立以后，LED就会发光，数据传输时LED会闪烁，常亮或一直不亮说明USB接口有问题。 3 系统软件设计 本设计的软件部分主要包括：混沌算法软件，D12固件程序软件，D12驱动程序软件，PC端应用程序软件。 3.1 混沌算法软件 将待测信号作为周期力参数的摄动并入到混沌振子中，如果待测信号中含有与混