基于单片机的微弱信号处理模块设计

王春兰　郭峰

摘要：

通过模拟电路结合单片机MSP430进行采样控制的思路，以MSP430系列单片机为控制器，辅以必要的模拟电路，主要模块由前端放大模块、低通滤波模块、频谱均衡滤波模块、精密峰值检波模块、A/D转换模块及数据处理控制报警显示模块构成。

关键词：

MSP430；信号处理

中图分类号：

TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2015）02016101

本设计以地震波为例，其中频谱均衡滤波对原始地震反射地层吸收衰减进行有效补偿，使地震反射波的特征参数得到明显改善；采用高阶低通滤波器将高频段噪声滤除；采用12位A/D转换提高系统对信号的分辨率。本设计的软、硬件均采用模块化的设计思路，使得设计具有移植性和可扩展性。借助EDA工具对电路的性能进行仿真分析对比，并对200Hz典型地震波数据进行了实际测试，仿真和测试表明，对震动强度为10mV以上的地震波信号，该装置可以准确地报警并显示地震的等级。

1方案论证

微控制器及外设等部分组成，传感器是将被测量（通常为非电量）转换成电信号的信号转换元件，然后由于传感器的电气特性，其所产生的电信号一般不可能直接输入至PC，必须进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地采集。

1.1信号处理方案

通过加均衡滤波电路来对地层的吸收进行有效补偿。地层的吸收衰减效应是导致地震勘测分辨率不高的主要原因，在地震数据采集系统中设置频谱均衡滤波器，对地层的吸收衰减进行有效补偿，可使地震反射波的特征参数得到明显改善。

1.2控制器的信号采集方案

采用ADS7818进行模数转换。这种设计电路简单且易于实现，转换精度较高，符合本设计要求。

1.3显示电路方案

选用数码管显示，MSP430F2002芯片的资源和管脚就可以满足要求，有较高的性价比。

2模块电路分析与设计

2.1传感器概述

通常定义传感器是一种换能器，严传感器是一种接收信号或受激励并以电信号响应的能量转换器件。大多数传感器其满度输出都是相当小的微弱的信号，在进一步作模拟或数字处理之前，必须对它们的输出进行适当的处理。

2.2放大电路

最常用的信号调理形式就是放大，既将输入的微弱电信号放大至数据采集量程相当的程度以获得尽可能高的分辨率。

本系统选用AD620仪表放大器进行前端信号的放大处理。AD620能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标；具有高共摸抑制比、高输入阻抗、低功耗等优点。其增益计算方法为：

2.3低通滤波电路

滤波器是一种允许具有特定频率范围的信号通过，并且衰减其他所有信号的设备。滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器两大类。前者是用无源器件R、L和C组成，后者是由有源器件（如运放）与R、C或开关电容组成。

在本设计中地震信号是低频信号，它的有效频率范围大约在20～300Hz之间。本系统以200Hz的雷克子波，且为了防止高频对后级微分电路的影响，所以针对它的特点，本系统采用了6阶低通滤波。该滤波电路带内增益为12dB，根据电路设计要求，调整电路中的电阻电容参数，将截止频率设置为500Hz。

根据大庆恒北地区的地震参数（Vo、β），建立视等厚吸收介质模型（单层厚度为0.5秒，共6层），其地层吸收衰减特性为Dn（f）=exp（-0.1122fni=1V-2.2i）

对其进行麦克劳林展开，为了使设计的频谱均衡滤波器的振幅函数更加接近其展开式，相位谱尽量是一简单函数或零相位谱，取麦克劳林展开式的偶数项得，本设计采用6阶微分电路的频谱均衡滤波器，其输出函数为：

2.4峰值检波电路

由于本系统要记录地震的最大震级，所以要求电路能迅速跟踪信号。采用峰值检波电路能够迅速跟踪信号并记录地震波的最大振幅。电路中，当输入大于输出时，峰值检波电路处于跟踪状态；当输入小于输出时处于保持状态。能够达到要求的功能。

2.5A/D转换电路

A/D转换器是用来把连续变化的模拟信号转换为一定格式的数字信号的器件。由于模拟信号在时间上是连续的，而数字信号则是离散量，因此A/D转换必须按一定的时间间隔取模拟电压值，再对其进行A/D转换，这过程称为对模拟信号的采样。而A/D转换需要时间，这就要将采样时刻的电压值保持下来。对保持下来的模拟电压值进行量化和编码，从而得到数字量输出D。因此A/D转换必须包含四个过程：采样、保持、量化和编码。

本设计中由于地震信号的动态范围很高，为了达到一定的分辨率，要求数据采集系统A/D转换位数不能过少。通常的数据采集系统将连续的地震信号采样后量化。本系统应用ADS7818高精度十二位串行输出转换器，ADS7818采样速率CONV=1.54kHz，SCLK=16*CONV=25kHz，模拟量的动态范围为0～5V。

2.6稳压电源电路

理想电源无论通过它的电流为多少，都能在它的终端维持一个恒定的电压。实际电源的输出电压随负载电流而改变，一般随着负载电流的增大而减小。评价电源性能的量，体现电源在空负载和满负载的条件下维持恒定电压的能力，这个量称作电源的稳压百分比（percent voltage regulation）。

确切地说，上式定义了输出百分比，或负载百分比。这是因为它是基于负载条件变化，其他所有因素都保持恒定。很明显，上式的分子是输出电压在无负载和全负载情况下的总变化量，因此理想电源具有零稳压百分比。

3结语

详细介绍了微弱信号前置调理电路的设计。包括前端放大模块、低通滤波模块、频谱均衡滤波模块、精密峰值检波模块、A/D转换模块及稳压电源电路。其中低通滤波模块将截止频率设置为500Hz；频谱均衡滤波对原始地震反射地层吸收误差进行有效补偿，使地震反射波的特征参数得到明显改善采用高精度十二位串行输出A/D转换器转换提高了系统对信号的分辨率；稳压电源输出+-5V电压，为系统提供稳定的电压。