基于ARM處理器的隨機(jī)共振弱信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式技術(shù)電子測量技術(shù)LECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGYE第30卷第3期Z007年3月基于ARM處理器的隨機(jī)共振弱信號檢測系統(tǒng)設(shè)計汪建l張云l陳詠濤2!"華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院武漢1.430074#重慶市電力公司楊家坪供電局重慶Z.400050從而導(dǎo)致常規(guī)的信號檢測和處理方法無能為力摘要!實(shí)際工程中9被測信號往往被大量的背景噪聲干擾所淹沒9利用隨機(jī)共振理論9我們可以從強(qiáng)噪聲背景中提取出弱信號信息本文設(shè)計了一個基于ARM處理器的弱信號檢測仿真隨機(jī)共振的雙穩(wěn)態(tài)環(huán)境9進(jìn)行弱信號的檢測處理從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信噪比曲線來看9噪聲得到明顯抑制9實(shí)驗(yàn)裝置9弱信號得到加強(qiáng)而易于捕捉這項(xiàng)工作為隨機(jī)共振理論應(yīng)用于實(shí)際工程現(xiàn)場的弱信號檢測提供了基礎(chǔ)文中詳細(xì)介紹了此系統(tǒng)中硬件的功能模塊和軟件的總體方案設(shè)計關(guān)鍵詞!隨機(jī)共振9信噪比9ARM處理器9VxWorks操作系統(tǒng)中圖分類號!TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼!ADesinofstochasticresonanceweaksinaldetectingggsstembasedonARMprocessory11ZWanianhanunhenYontaoZCgJgYg(99W91.ColleeofElectricandElectronicEnineerinHuazhonniversitfScienceandTechnolouhan430074gyggggUyo9)Z.YaniainowerSuureauofChoninowerComanChonin00050lgppggggpgPyBgPpyg4:99AbstractInthepracticalroectthesinaldetectedissubmeredsometimesbumerousbackroundnoisessothatpggyng9normaldetectinnddisosinethodsareuseless.Bsintherincileofstochasticresonance(SR)wecandetectgapgmyugpp9weaksinalsfromstronoisebackround.TosimulatetheSRbistablesstemcircumstancetestinuimentthatggngygegpbasedonARMprocessorisdesinedtodetectthesinal.fromthesinal-to-noiseratio(SNR)curveoftheggg99exerimentthenoiseissuressedobviouslandtheweeksinleisimrovedandeasiltocature.Thisobprovidespygpyppplaafoundationforthepracticalainndetectineaksinals.Thisperhasintroducedtheconsistinodulesofppygogwgpgmthehardwareandsoftwareindetail.:9s9A9Kewordsstochasticresonanceinal-to-noiseratioRMprocessorVxWorksoeratinstemgpgsyy]1處可見[0引言)是非線性科學(xué)與隨機(jī)共振SR(stochasticresonance統(tǒng)計物理學(xué)里一個重要的前沿9其概念是R.Bener等人在用以解釋古氣象學(xué)中冰川期與暖氣候期周1981年提出的9期性交替出現(xiàn)的現(xiàn)象它描述了一個具有非線性的雙穩(wěn)在一個小的周期性調(diào)制信號作用下同時輸入噪聲態(tài)系統(tǒng)9和信號9當(dāng)噪聲增強(qiáng)到某一強(qiáng)度時9系統(tǒng)輸出信噪比不僅不會降低9相反系統(tǒng)會產(chǎn)生隨機(jī)共振現(xiàn)象從而使輸出信號得到顯著的增強(qiáng)9輸出信噪比得到最大值隨后在1983年9S.fauve等人在具有雙穩(wěn)態(tài)輸出特性的Schmitt觸發(fā)人器電路中第一次由實(shí)驗(yàn)觀察到了隨機(jī)振動現(xiàn)象之后9們在很多種系統(tǒng)種都觀察到了隨機(jī)共振現(xiàn)象9如光學(xué)系統(tǒng)~~(雙向環(huán)形激光儀)電磁系統(tǒng)(隧道二極管)生Chua電路~表明隨機(jī)共振隨物可興奮系統(tǒng)(等9fN神經(jīng)元~If神經(jīng)元)近年來9隨機(jī)共振開始應(yīng)用于小信號檢測處理領(lǐng)域?yàn)榱烁玫赜^察隨機(jī)共振現(xiàn)象在各種信號和噪音情況下用A的表現(xiàn)9RM處理器仿真實(shí)際情況中的隨機(jī)共振現(xiàn)象9為基于隨機(jī)共振理論的信號檢測裝置向?qū)嵱没~出一步l隨機(jī)共振理論簡介隨機(jī)共振系統(tǒng)包含雙穩(wěn)(或多穩(wěn))態(tài)非線性系統(tǒng)~弱相~如周期信號)背景噪聲3個不可缺元素通常隨干輸入(機(jī)共振系統(tǒng)可由非線性朗之萬方程描述:)((os))c(0d雙穩(wěn)系統(tǒng)可由最簡單的雙穩(wěn)系統(tǒng)表示:4()Z4()1()Z50基于處理器的隨機(jī)共振弱信號檢測系統(tǒng)設(shè)計汪建等$000將式0帶入式0則式0又可寫成:Z11000000030cos3000d0其自相關(guān)函數(shù)為噪聲項(xiàng)一般為高斯白噪聲001000其中為噪聲強(qiáng)度0Z[00Z在沒有調(diào)制和噪聲作用時勢壘高叢Z個勢餅4第3期最低點(diǎn)處于質(zhì)點(diǎn)隨處0當(dāng)信號幅值低于勢壘高時不能躍遷0然而機(jī)在一個勢餅內(nèi)作周期運(yùn)動當(dāng)噪聲質(zhì)點(diǎn)逐漸增大到某一值時由于噪聲和信號的協(xié)同作用圖Z3C4510BARM芯片電路板框圖基于S能克服壁壘高度從一個勢餅躍遷到另一個勢餅并在Z個勢餅間按信號頻率0來回跳躍這樣就起到了信號放大和提取作用也就是隨機(jī)振動狀態(tài)0但噪音繼續(xù)增大時則信號又再次會被淹沒[Z10系統(tǒng)設(shè)計l系統(tǒng)整體模塊設(shè)計系統(tǒng)的整體模塊設(shè)計方案如圖1所示0圖1系統(tǒng)方案整體模塊設(shè)計隨機(jī)共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要包括以下因素:010信號源產(chǎn)生規(guī)則信號cos000~噪音00模擬淹沒于噪聲的信號;0Z0隨機(jī)共振系統(tǒng)非線性朗之萬方程模擬雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng);030系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)方程的參數(shù)來調(diào)節(jié)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的勢壘高度和Z個勢餅最低點(diǎn);040數(shù)據(jù)觀察通過時域~頻域圖來對比觀察信號通過隨機(jī)共振之后的變化02系統(tǒng)硬件設(shè)計基于ARM平臺的隨機(jī)共振仿真的電路設(shè)計框圖如圖所示0flash保存代碼當(dāng)系統(tǒng)上電時將系統(tǒng)代碼引導(dǎo)到RAM上0SRAM是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)同時也在其上執(zhí)行系統(tǒng)代碼0數(shù)據(jù)的接收和傳送通過RJ45以太網(wǎng)接口0芯片選型上SRAM采用HY57V41Z0HG-TH芯片Z片flashROM采用ZMB1bSST39Vf10芯片接收和發(fā)送采用10MB/100MB以太網(wǎng)傳輸考慮采用TL8Z01BL芯片0Z.Z.1ARM微處理器S3C4510B系統(tǒng)核心是一顆韓國三星電子生產(chǎn)的S3C45l0B-1/3Z位RISC0精簡指令集計算機(jī)0微控制器該芯片采用的是ARM公司提供的ARM7TMIRISC處理器核0由于它具有高性能~低功耗等優(yōu)點(diǎn)因此特別適合于對價格和功耗比較敏感的應(yīng)用場合如手持設(shè)備和工業(yè)控制等0S3C4510B內(nèi)部采用3Z位系統(tǒng)總線集成了中斷控制器~RAM/SRAM控制器~ROM/SRAM和閃存控制器且提供了8B的cache0高速緩存0和以太控制器[Z10以上功能特點(diǎn)均集成在此單芯片中可大大減少系統(tǒng)成本0軟件方面S3C45l0B因內(nèi)置ARSM7TMI核可以執(zhí)行3Z位的ARM指令也可執(zhí)行1位的THUMB指令0另外操作頻率最高達(dá)50MHz[310Z.Z.Z10/100M以太網(wǎng)接口電路S3C4510B內(nèi)嵌了一個以太網(wǎng)控制器但S3C4510B并未提供物理層接口因此需外接一片物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道0這里的接口設(shè)計中采用RTL8Z01BL作為以太網(wǎng)的物理層接口0Z.Z.3flash存儲器接口電路flash存儲器具有低功耗~大容量~擦寫速度快.flash在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等0系統(tǒng)中用了一片SST39Vfl0flash存儲器其單片存儲容量為1MB0ZMB00Z.Z.4SRAM接口電路SRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間~數(shù)據(jù)及堆棧0當(dāng)系統(tǒng)啟動時程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SRAM中運(yùn)行以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度0S3C4510B芯片在片內(nèi)具有獨(dú)立的SRAM刷新控制邏輯可方便地與SRAM相連接0HY57V41Z0HG為1位數(shù)據(jù)寬度單片容量為8MB本方案設(shè)計中用Z片HY57V41Z0HG并聯(lián)構(gòu)成3Z位的SRAM存儲器系統(tǒng)共1MB的SRAM空間充分發(fā)揮3Z位CPU的數(shù)據(jù)處理能力可滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對較復(fù)雜的算法的運(yùn)行要求[4102系統(tǒng)軟件設(shè)計上位機(jī)的設(shè)計采用MicrosoftVisualC.0易于開發(fā)出交互性好的操作界面直觀0主要任務(wù)有:產(chǎn)生帶噪-51-222ZSR0卷第3電子測量技術(shù)可手動或自動修改雙穩(wěn)態(tài)的相關(guān)參數(shù)或者噪音參數(shù)尋找到最佳噪音比的參數(shù)方案其中雙穩(wěn)態(tài)算法的求解采用四階龍格庫塔算7精度可達(dá)到要求法將發(fā)出的信號和接收到的信號用時域頻域波聲的信號形顯示出來觀察變化信號設(shè)置雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)和噪音的參數(shù)下位機(jī)設(shè)計采用V編譯器使用xWorks操作系統(tǒng)主要任務(wù)有接收和回送經(jīng)隨機(jī)共振TornadoH開發(fā)環(huán)境處理后的數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)共振算法的處理Z.3.1xWorks操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)點(diǎn)采用V需要操作系統(tǒng)實(shí)時處理數(shù)隨機(jī)共振現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置據(jù)與PC傳輸數(shù)據(jù)多且迅速如方案之一是通過PC軟件界面設(shè)置噪音強(qiáng)度自動增加小信號強(qiáng)度和雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)不變可得到信噪比的變化趨勢如圖4所示其中SNR的波峰即是最佳共振點(diǎn)8即此時是信號頻率最為明顯的時候VxWorks是專門為實(shí)時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的操作系統(tǒng)軟件它為程序員提供了高效的實(shí)時任務(wù)調(diào)度中斷處理實(shí)時的系統(tǒng)資源以及實(shí)時的任務(wù)間通信VxWorks的微內(nèi)核wind是一個具有較高性能的標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核其主要特點(diǎn)包括快速多任務(wù)切換搶占式任務(wù)調(diào)度任務(wù)間通信手段等其具有的任務(wù)間切換時間短中斷延遲小的特點(diǎn)符合本系統(tǒng)仿真所需要的實(shí)時處理數(shù)據(jù)的要求其網(wǎng)絡(luò)流量大的特點(diǎn)符合本系統(tǒng)所需的傳輸數(shù)量多的特點(diǎn)5VxWorks功能強(qiáng)大且復(fù)雜而Tornado就是為開發(fā)xWorks應(yīng)用系統(tǒng)提供了一個集成開發(fā)環(huán)境提供集成的源代碼編輯器工程管理工具集成的C和C編譯器和make工具等且允許開發(fā)者增量地將目標(biāo)模塊加載到目標(biāo)系統(tǒng)上去這種動態(tài)的鏈接和加載功能是Tornado系統(tǒng)的核心功能可以使開發(fā)者省去通常的鏈接內(nèi)核和下載目標(biāo)機(jī)的步驟提高了開發(fā)效率.3.Z程序?qū)嶒?yàn)過程框圖軟件的過程框圖如圖3所示圖3系統(tǒng)的流程框圖當(dāng)ARM板加電啟動目標(biāo)機(jī)自動從宿主機(jī)PC裝載xWorks內(nèi)核和目標(biāo)代碼啟動Socket監(jiān)聽PC的數(shù)據(jù)傳輸有數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時啟動中斷到算法程序通過雙穩(wěn)態(tài)算法處理并返回處理結(jié)果到PC顯示波形圖PC上.5Z.圖4隨機(jī)共振信噪比SNR圖結(jié)論本文介紹了基于ARM處理器的隨機(jī)共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計方案充分利用了ARM的實(shí)時性與數(shù)據(jù)傳輸快的特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)表明隨機(jī)共振理論依托嵌入式技術(shù)運(yùn)用于現(xiàn)場中的強(qiáng)背景噪音中的弱信號提取是可行的現(xiàn)行方案中不足之處在于ARM的計算能力不能應(yīng)付復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算所以一方面不能應(yīng)付高頻率的信號另一方面是依靠PC提供最佳參數(shù)的搜索方法所以進(jìn)一步的改進(jìn)方案為可設(shè)計利用ARM-SP雙核方案引入自適應(yīng)算法搜索最佳參數(shù)不需要PC即可達(dá)到最佳隨機(jī)共振點(diǎn)利用系統(tǒng)擴(kuò)展總線加上LC顯示模塊和信號采集模塊做到這Z步改進(jìn)才能達(dá)到一個完整的應(yīng)用于現(xiàn)場的弱信號提取裝置參考文獻(xiàn)1ROBERTOBALfONSOS.ThemechanismofstochasticresonanceJ.J.phys.A1981453-457.Z秦洪新王忠義.ARM7TMI內(nèi)核微處理器S3C4510B中斷開發(fā)方法J.電子測量技術(shù)Z004345-4.3胡崗.隨機(jī)力與非線性系統(tǒng)M.上海上海科技教育出版社1994.4毛戰(zhàn)華王金剛丁大尉.基于VxWorks和Windows跨平臺通訊J.電子測量技術(shù)Z004353-545.5許振山晏寄夫王富榮.基于ARM微處理器及嵌入式Linux的串口網(wǎng)橋軟硬件設(shè)計J.電子質(zhì)量Z0043J004-J00.!下轉(zhuǎn)第105頁#VZV基于的專用數(shù)字無線通信系統(tǒng)手持終端軟件主體邏輯的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)王志超等$依據(jù)當(dāng)前是否有作業(yè)數(shù)據(jù)的顯示而分別進(jìn)入待機(jī)注冊狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài);已注冊如果注銷成功也依據(jù)當(dāng)前是否有作業(yè)數(shù)據(jù)顯示而分別進(jìn)入待機(jī)未注冊狀態(tài)和運(yùn)行未注冊狀態(tài)注銷過程如圖4所示第3期終端已進(jìn)行了初步測試I在VisualC環(huán)境下編寫了虛擬服務(wù)器以檢測軟件的注冊通過串口與終端進(jìn)行連接和注銷功能~數(shù)據(jù)和控制指令的收發(fā)功能及語音通信的清晰度和延時測試結(jié)果表明平均注冊時間為1平54ms;均注銷時間13語音傳輸單向最小延時Z最Z1ms1ms大延時Z經(jīng)調(diào)制解調(diào)后的語音清晰度較好;測試70.5ms過程中系統(tǒng)軟件運(yùn)行比較流暢~穩(wěn)定;終端能夠通過串口系統(tǒng)具備一定的穩(wěn)定性~向P可靠性C機(jī)上傳數(shù)據(jù);參考文獻(xiàn)]侯春萍.現(xiàn)代通信原理天津天津科學(xué)技1M].沈保鎖術(shù)出版社Z000.]鄭嵐.數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)北M]Z.Z版.鄭祖輝京I電子工業(yè)出版社Z005.]基于G張曙光張莉等.SM模塊的短消息收3邵利敏]I發(fā)系統(tǒng)電工技術(shù)Z004103Z-34.J.]]內(nèi)部資料SM-R手持終端技術(shù)條件Z0057.4Z.G]基于G5SM-R平調(diào)終天津七一二通信廣播有限公司.]端研制方案Z.Z005.]朱月秀王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ)修訂本.北M].李廣弟京I航空航天大學(xué)出版社Z00Z.]]ICRELINC.MICZ930ZBUdatasheet.Z004.7ZM]ILLIAMS.ataandcomutercommunications8pW北京I清華大學(xué)出版社M].1997.圖4注銷過程流程圖以上即為終端主體邏輯的工作流程當(dāng)然工作期間也離不開串口通信~屏幕顯示和flash的讀寫這些操作各模塊的編程語言均使用的是C因?yàn)楦鱾€程序模塊間有51明確的接口所以各個模塊能夠比較順利地合在一起進(jìn)行并采用U編譯運(yùn)行編譯環(huán)境采用的是eiluVision-EC3型仿真器作者簡介王B超天津大學(xué)電信學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生地址I天津市南開區(qū)鞍山西道338號百腦匯科技大廈Z03室30019Z;I_w電話I0ZZ-589780-803E-＠g實(shí)驗(yàn)與結(jié)論該終端在設(shè)計上除具考慮到不同業(yè)務(wù)有不同的需要備基本功能外也在軟硬件方面為功能擴(kuò)展留有余地該!上接第5Z頁#]實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境李潞.)I](電子科學(xué)技術(shù)評論Tornado淺析Z00447-50.J.Z]]四階龍格庫塔算法的C語言實(shí)現(xiàn)焦作7J.毋玉芝.()I大學(xué)學(xué)報1Z0011555-59.]山拜.達(dá)拉拜.雙模噪聲中信號識別與精確估8黃玉劃)I](電子測量技術(shù)計Z00Z10-1Z.J.Z作者簡介智能檢測技術(shù)方面的研究工作碩士研究生從事電工理論新張云男198Z年出生技術(shù)電力系統(tǒng)信息化方面研究工作IzE-＠yyC建男教授從事電工理論及新技術(shù)~1958年出生.105.HYPERLINK"/retype/zoom/d18cfbebb8f67c1cfad6b86e?pn=5&x=0&y=25&raww=223&rawh=45&o=png_6_0_0_564_26_150_31_763.2_1104&type=pic&aimh=45&md5sum=4d3bfe085d2b462d866e43e9a7e6