基于MSP430的微弱信號檢測系統

陳元莉，譚 勁

(1.西華師范大學 物理與電子信息學院，四川南充637002；2. 西華師范大學網絡中心，四川南充637002)

基于MSP430的微弱信號檢測系統

陳元莉1，譚 勁2

(1.西華師范大學 物理與電子信息學院，四川南充637002；2. 西華師范大學網絡中心，四川南充637002)

基于TI公司的單片機MSP430G2553的微弱信號檢測系統，由穩壓供電電源、加法器、純電阻分壓網絡、帶通濾波器、A/D轉換器以及數碼管顯示電路等模塊組成.能實現淹沒在強噪聲背景下的正弦微弱信號的檢測，并能正確顯示正弦信號的峰值.實現了在強噪聲環境下檢測出有效微弱信號的功能.

微弱信號；MSP430G2553；峰值檢測；帶通濾波器

0 引言

微弱信號是指深埋在背景噪聲中的極其微弱的有用信號.隨著科學技術的不斷發展，被噪聲掩蓋的各種微弱信號的檢測愈來愈受到人們的重視.[1]

微弱信號的檢測是利用電子學的、信息論的和物理學的方法，分析噪聲產生的原因和規律，研究被測信號的特點和相干性，檢測被背景噪聲覆蓋的弱信號,它的任務是發展弱檢測的理論，探索新的方法和原理，研制新的檢測設備以及在各學科中的推廣應用.[2]本系統采用帶通濾波的方法能將淹沒在強噪聲背景下的正弦微弱信號分離出來，通過峰值檢測電路，A/D轉換，再通過單片機處理后，將正弦信號峰值在LED顯示器上顯示出來.

1 微弱信號檢測系統的組成

系統總體結構框圖如圖1所示，首先，通過加法器將正弦信號源與噪聲源混合在一起，純電阻分壓網絡將混合后的信號峰值衰減到很小的值，然后通過微弱信號檢測電路將正弦信號分離出來，最后由單片機系統將正弦信號的峰值顯示出來.

圖1 系統總體框圖

本系統的核心部分是微弱信號檢測電路，電壓跟隨器用來提高放大電路的輸入阻抗，放大電路將前級信號放大后，送入帶通濾波器，將有用的正弦信號分離出來，然后通過峰值檢測電路將正弦信號的峰值檢測出來，送入后級電路顯示.該部分電路框圖如圖2所示.

圖2 微弱信號檢測電路框圖

2 系統硬件電路的構成

2.1 加法電路與純電阻分壓網絡

加法電路由美國德州儀器的INA2134芯片組成，由INA2134芯片構成的加法電路如圖所示，由于該芯片的內部集成有構成加法運算電路的電阻，不需任何外圍電阻即可構成同相加法電路，其輸出V0=V1+V2.純電阻分壓網絡由一個10KΩ電位器R1和一個100Ω固定阻值R2組成，調整電位器可以實現分壓系數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公司生產的運算放大器OPA2134A組成一個電壓跟隨器電路，其輸出電壓等于輸入電壓，但輸入阻抗可以達到1MΩ以上；由OPA2134A構成一個同相運算放大電路，放大電路將前級被衰減的小信號放大后，送入下一級電路進行處理.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以上的噪聲信號濾掉，只保留500Hz～2KHz 范圍內的有用信號，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 峰值檢測電路

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

圖6 峰值檢測電路

2.5 顯示器電路

單片機MSP430G2553用來進行A/D轉換并控制LED顯示電壓的峰值，MSP430G2553是TI公司推出的超低功耗混合信號微控制器，具有內置的16 位定時器、兩個8位的I/O端口P1和P2、一個10 位模數(A/D) 轉換器等多種資源.[3-4]本系統利用該單片機來實現A/D轉換和電壓峰值顯示.

顯示電路用來顯示正弦信號的峰值，前級峰值檢測電路的輸出電壓，送入單片機中，利用單片機內部A/D轉換電路將模擬電壓轉換為數字信號后，送入顯示器顯示.顯示器采用四位集成LED共陽顯示器，由單片機的P1口送出段顯碼，P2.0～P2.3為位選信號，動態顯示，四位顯示器采用四個三極管驅動，如圖7所示.

圖7 顯示器電路

3 軟件設計

本系統的軟件設計部分主要是A/D轉換和數碼管顯示部分，程序開始后，首先對單片機進行初始化，然后啟動A/D轉換，待A/D轉換完成后，進行數據處理，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 結束語

通過綜合測試，本系統實現了將淹沒在強噪聲背景下的已知頻率的正弦微弱信號(頻率500Hz ～ 2kHz，峰值200mV ～ 2V)分離出來，并能正確顯示正弦信號的峰值.整個系統可靠性較高，軟件編程方便靈活，調試簡單方便，系統成本低，性價比高，具有一定的現實意義.

[1] 陳銀根．微弱信號檢測技術的研究[J]．江西科學，2004(3)：193-196．

[2] 陳佳圭．微弱信號檢測的意義、內容及進展[J]．物理，1983(6)：329-337．

[3] 逄淑松．MSP430G2553單片機超低功耗的研究與設計[J]．單片機與嵌入式系統應用，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，主要從事電子技術與計算機應用研究.

O453

A

1674-5248(2014)02-0030-04