基于MSP430的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

陳元莉，譚 勁

(1.西華師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，四川南充637002；2. 西華師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，四川南充637002)

基于MSP430的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

陳元莉1，譚 勁2

(1.西華師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，四川南充637002；2. 西華師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，四川南充637002)

基于TI公司的單片機(jī)MSP430G2553的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，由穩(wěn)壓供電電源、加法器、純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、帶通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器以及數(shù)碼管顯示電路等模塊組成.能實(shí)現(xiàn)淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲背景下的正弦微弱信號(hào)的檢測(cè)，并能正確顯示正弦信號(hào)的峰值.實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)噪聲環(huán)境下檢測(cè)出有效微弱信號(hào)的功能.

微弱信號(hào)；MSP430G2553；峰值檢測(cè)；帶通濾波器

0 引言

微弱信號(hào)是指深埋在背景噪聲中的極其微弱的有用信號(hào).隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，被噪聲掩蓋的各種微弱信號(hào)的檢測(cè)愈來(lái)愈受到人們的重視.[1]

微弱信號(hào)的檢測(cè)是利用電子學(xué)的、信息論的和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)和相干性，檢測(cè)被背景噪聲覆蓋的弱信號(hào),它的任務(wù)是發(fā)展弱檢測(cè)的理論，探索新的方法和原理，研制新的檢測(cè)設(shè)備以及在各學(xué)科中的推廣應(yīng)用.[2]本系統(tǒng)采用帶通濾波的方法能將淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲背景下的正弦微弱信號(hào)分離出來(lái)，通過(guò)峰值檢測(cè)電路，A/D轉(zhuǎn)換，再通過(guò)單片機(jī)處理后，將正弦信號(hào)峰值在LED顯示器上顯示出來(lái).

1 微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，首先，通過(guò)加法器將正弦信號(hào)源與噪聲源混合在一起，純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將混合后的信號(hào)峰值衰減到很小的值，然后通過(guò)微弱信號(hào)檢測(cè)電路將正弦信號(hào)分離出來(lái)，最后由單片機(jī)系統(tǒng)將正弦信號(hào)的峰值顯示出來(lái).

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)的核心部分是微弱信號(hào)檢測(cè)電路，電壓跟隨器用來(lái)提高放大電路的輸入阻抗，放大電路將前級(jí)信號(hào)放大后，送入帶通濾波器，將有用的正弦信號(hào)分離出來(lái)，然后通過(guò)峰值檢測(cè)電路將正弦信號(hào)的峰值檢測(cè)出來(lái)，送入后級(jí)電路顯示.該部分電路框圖如圖2所示.

圖2 微弱信號(hào)檢測(cè)電路框圖

2 系統(tǒng)硬件電路的構(gòu)成

2.1 加法電路與純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)

加法電路由美國(guó)德州儀器的INA2134芯片組成，由INA2134芯片構(gòu)成的加法電路如圖所示，由于該芯片的內(nèi)部集成有構(gòu)成加法運(yùn)算電路的電阻，不需任何外圍電阻即可構(gòu)成同相加法電路，其輸出V0=V1+V2.純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)10KΩ電位器R1和一個(gè)100Ω固定阻值R2組成，調(diào)整電位器可以實(shí)現(xiàn)分壓系數(shù)100的分壓.該部分電路如圖3所示.

圖3 加法電路和分壓電路

2.2 電壓跟隨器和放大電路

由TI公司生產(chǎn)的運(yùn)算放大器OPA2134A組成一個(gè)電壓跟隨器電路，其輸出電壓等于輸入電壓，但輸入阻抗可以達(dá)到1MΩ以上；由OPA2134A構(gòu)成一個(gè)同相運(yùn)算放大電路，放大電路將前級(jí)被衰減的小信號(hào)放大后，送入下一級(jí)電路進(jìn)行處理.該部分電路如圖4所示.

圖4 電壓跟隨器和放大電路

2.3 帶通濾波器

帶通濾波器的作用是將500Hz以下以及2KHz以上的噪聲信號(hào)濾掉，只保留500Hz～2KHz 范圍內(nèi)的有用信號(hào)，電路由音頻放大器OPA2340PA外加電阻電容組成有源二階帶通濾波器，電路如圖5所示.

圖5 帶通濾波器電路

2.4 峰值檢測(cè)電路

為了能夠顯示有用正弦信號(hào)的峰值，采用峰值檢測(cè)電路提取信號(hào)的峰值，送入后級(jí)電路顯示電壓峰值.該部分電路由TL082及相應(yīng)外圍電路組成，電路如圖6所示.

圖6 峰值檢測(cè)電路

2.5 顯示器電路

單片機(jī)MSP430G2553用來(lái)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并控制LED顯示電壓的峰值，MSP430G2553是TI公司推出的超低功耗混合信號(hào)微控制器，具有內(nèi)置的16 位定時(shí)器、兩個(gè)8位的I/O端口P1和P2、一個(gè)10 位模數(shù)(A/D) 轉(zhuǎn)換器等多種資源.[3-4]本系統(tǒng)利用該單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和電壓峰值顯示.

顯示電路用來(lái)顯示正弦信號(hào)的峰值，前級(jí)峰值檢測(cè)電路的輸出電壓，送入單片機(jī)中，利用單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，送入顯示器顯示.顯示器采用四位集成LED共陽(yáng)顯示器，由單片機(jī)的P1口送出段顯碼，P2.0～P2.3為位選信號(hào)，動(dòng)態(tài)顯示，四位顯示器采用四個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)，如圖7所示.

圖7 顯示器電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要是A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)碼管顯示部分，程序開(kāi)始后，首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，待A/D轉(zhuǎn)換完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后送顯示器顯示，軟件流程圖如圖8所示.

圖8 主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)綜合測(cè)試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲背景下的已知頻率的正弦微弱信號(hào)(頻率500Hz ～ 2kHz，峰值200mV ～ 2V)分離出來(lái)，并能正確顯示正弦信號(hào)的峰值.整個(gè)系統(tǒng)可靠性較高，軟件編程方便靈活，調(diào)試簡(jiǎn)單方便，系統(tǒng)成本低，性?xún)r(jià)比高，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

[1] 陳銀根．微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究[J]．江西科學(xué)，2004(3)：193-196．

[2] 陳佳圭．微弱信號(hào)檢測(cè)的意義、內(nèi)容及進(jìn)展[J]．物理，1983(6)：329-337．

[3] 逄淑松．MSP430G2553單片機(jī)超低功耗的研究與設(shè)計(jì)[J]．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013(4)：1-2．

[4] Texas Instruments.MSP430G2X53MSP430G2x13[EB/OL].[2013-12-30].http://www.ti.com/lit/ds/slas735g/slas735g.pdf, 2012-11-01.

[責(zé)任編輯 鄧 杰]

Weak signal detectionsystem based on MSP430

CHEN Yuan-li1, TAN jing2

(1. Physics and Electronic Information School of China West Normal University, Nanchong Sichuan 637002;2. China Network Center, China West Normal University, Nanchong Sichuan 637002, China)

The system is a weak signal detection system based on MSP430G2553 microcontroller, the system can detect weak sine signals which are submerged in strong noise background and display the sine signal amplitude values.The whole system consists of power supply, adder, pure resistor divider network, band pass filter, A/D converter and the digital display circuit. Ultimately, the effective weak signal is detected in strong noisy environment.

weak signal; MSP430G2553; peak detection; band pass filter

2013-12-01

陳元莉(1966—)，女，四川南部人.副教授，碩士，主要從事電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究.

O453

A

1674-5248(2014)02-0030-04