基于ARM處理器的隨機(jī)共振弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式技術(shù)電子測(cè)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(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)汪建l張?jiān)苐陳詠濤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(hào)檢測(cè)和處理方法無(wú)能為力摘要!實(shí)際工程中9被測(cè)信號(hào)往往被大量的背景噪聲干擾所淹沒(méi)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(hào)信息本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ARM處理器的弱信號(hào)檢測(cè)仿真隨機(jī)共振的雙穩(wěn)態(tài)環(huán)境9進(jìn)行弱信號(hào)的檢測(cè)處理從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信噪比曲線(xiàn)來(lái)看9噪聲得到明顯抑制9實(shí)驗(yàn)裝置9弱信號(hào)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(chǎng)的弱信號(hào)檢測(cè)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(jì)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(lèi)號(hào)!TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jiàn)[0引言)是非線(xiàn)性科學(xué)與隨機(jī)共振SR(stochasticresonance統(tǒng)計(jì)物理學(xué)里一個(gè)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(gè)具有非線(xiàn)性的雙穩(wěn)在一個(gè)小的周期性調(diào)制信號(hào)作用下同時(shí)輸入噪聲態(tài)系統(tǒng)9和信號(hào)9當(dāng)噪聲增強(qiáng)到某一強(qiáng)度時(shí)9系統(tǒng)輸出信噪比不僅不會(huì)降低9相反系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)共振現(xiàn)象從而使輸出信號(hào)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(dòng)現(xiàn)象之后9們?cè)诤芏喾N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(lái)9隨機(jī)共振開(kāi)始應(yīng)用于小信號(hào)檢測(cè)處理領(lǐng)域?yàn)榱烁玫赜^察隨機(jī)共振現(xiàn)象在各種信號(hào)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(hào)檢測(cè)裝置向?qū)嵱没~出一步l隨機(jī)共振理論簡(jiǎn)介隨機(jī)共振系統(tǒng)包含雙穩(wěn)(或多穩(wěn))態(tài)非線(xiàn)性系統(tǒng)~弱相~如周期信號(hào))背景噪聲3個(gè)不可缺元素通常隨干輸入(機(jī)共振系統(tǒng)可由非線(xiàn)性朗之萬(wàn)方程描述:)((os))c(0d雙穩(wěn)系統(tǒng)可由最簡(jiǎn)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(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)汪建等$000將式0帶入式0則式0又可寫(xiě)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(méi)有調(diào)制和噪聲作用時(shí)勢(shì)壘高叢Z個(gè)勢(shì)餅4第3期最低點(diǎn)處于質(zhì)點(diǎn)隨處0當(dāng)信號(hào)幅值低于勢(shì)壘高時(shí)不能躍遷0然而機(jī)在一個(gè)勢(shì)餅內(nèi)作周期運(yùn)動(dòng)當(dāng)噪聲質(zhì)點(diǎn)逐漸增大到某一值時(shí)由于噪聲和信號(hào)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(gè)勢(shì)餅躍遷到另一個(gè)勢(shì)餅并在Z個(gè)勢(shì)餅間按信號(hào)頻率0來(lái)回跳躍這樣就起到了信號(hào)放大和提取作用也就是隨機(jī)振動(dòng)狀態(tài)0但噪音繼續(xù)增大時(shí)則信號(hào)又再次會(huì)被淹沒(méi)[Z10系統(tǒng)設(shè)計(jì)l系統(tǒng)整體模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體模塊設(shè)計(jì)方案如圖1所示0圖1系統(tǒng)方案整體模塊設(shè)計(jì)隨機(jī)共振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要包括以下因素:010信號(hào)源產(chǎn)生規(guī)則信號(hào)cos000~噪音00模擬淹沒(méi)于噪聲的信號(hào);0Z0隨機(jī)共振系統(tǒng)非線(xiàn)性朗之萬(wàn)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(guò)調(diào)節(jié)方程的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的勢(shì)壘高度和Z個(gè)勢(shì)餅最低點(diǎn);040數(shù)據(jù)觀察通過(guò)時(shí)域~頻域圖來(lái)對(duì)比觀察信號(hào)通過(guò)隨機(jī)共振之后的變化02系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于ARM平臺(tái)的隨機(jī)共振仿真的電路設(shè)計(jì)框圖如圖所示0flash保存代碼當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)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(shí)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(guò)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(guó)三星電子生產(chǎn)的S3C45l0B-1/3Z位RISC0精簡(jiǎn)指令集計(jì)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(duì)價(jià)格和功耗比較敏感的應(yīng)用場(chǎng)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(xiàn)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(gè)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(jì)中采用RTL8Z01BL作為以太網(wǎng)的物理層接口0Z.Z.3flash存儲(chǔ)器接口電路flash存儲(chǔ)器具有低功耗~大容量~擦寫(xiě)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(hù)數(shù)據(jù)等0系統(tǒng)中用了一片SST39Vfl0flash存儲(chǔ)器其單片存儲(chǔ)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(dòng)時(shí)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(jì)中用Z片HY57V41Z0HG并聯(lián)構(gòu)成3Z位的SRAM存儲(chǔ)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(mǎn)足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對(duì)較復(fù)雜的算法的運(yùn)行要求[4102系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)的設(shè)計(jì)采用MicrosoftVisualC.0易于開(kāi)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(cè)量技術(shù)可手動(dòng)或自動(dòng)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(kù)塔算7精度可達(dá)到要求法將發(fā)出的信號(hào)和接收到的信號(hào)用時(shí)域頻域波聲的信號(hào)形顯示出來(lái)觀察變化信號(hào)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(jì)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(kāi)發(fā)環(huán)境處理后的數(shù)據(jù)對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)點(diǎn)采用V需要操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(guò)PC軟件界面設(shè)置噪音強(qiáng)度自動(dòng)增加小信號(hào)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(shì)如圖4所示其中SNR的波峰即是最佳共振點(diǎn)8即此時(shí)是信號(hào)頻率最為明顯的時(shí)候VxWorks是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)軟件它為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度中斷處理實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信VxWorks的微內(nèi)核wind是一個(gè)具有較高性能的標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(kāi)發(fā)xWorks應(yīng)用系統(tǒng)提供了一個(gè)集成開(kāi)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(kāi)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(dòng)態(tài)的鏈接和加載功能是Tornado系統(tǒng)的核心功能可以使開(kāi)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(kāi)發(fā)效率.3.Z程序?qū)嶒?yàn)過(guò)程框圖軟件的過(guò)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(dòng)目標(biāo)機(jī)自動(dòng)從宿主機(jī)PC裝載xWorks內(nèi)核和目標(biāo)代碼啟動(dòng)Socket監(jiān)聽(tīng)PC的數(shù)據(jù)傳輸有數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時(shí)啟動(dòng)中斷到算法程序通過(guò)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(jì)方案充分利用了ARM的實(shí)時(shí)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(chǎng)中的強(qiáng)背景噪音中的弱信號(hào)提取是可行的現(xiàn)行方案中不足之處在于ARM的計(jì)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(hào)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(jì)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(xiàn)加上LC顯示模塊和信號(hào)采集模塊做到這Z步改進(jìn)才能達(dá)到一個(gè)完整的應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的弱信號(hào)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(kāi)發(fā)方法J.電子測(cè)量技術(shù)Z004345-4.3胡崗.隨機(jī)力與非線(xiàn)性系統(tǒng)M.上海上?？萍冀逃霭嫔?994.4毛戰(zhàn)華王金剛丁大尉.基于VxWorks和Windows跨平臺(tái)通訊J.電子測(cè)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(jì)J.電子質(zhì)量Z0043J004-J00.!下轉(zhuǎn)第105頁(yè)#VZV基于的專(zhuān)用數(shù)字無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)手持終端軟件主體邏輯的設(shè)計(jì)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(cè)狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài);已注冊(cè)如果注銷(xiāo)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(cè)狀態(tài)和運(yùn)行未注冊(cè)狀態(tài)注銷(xiāo)過(guò)程如圖4所示第3期終端已進(jìn)行了初步測(cè)試I在VisualC環(huán)境下編寫(xiě)了虛擬服務(wù)器以檢測(cè)軟件的注冊(cè)通過(guò)串口與終端進(jìn)行連接和注銷(xiāo)功能~數(shù)據(jù)和控制指令的收發(fā)功能及語(yǔ)音通信的清晰度和延時(shí)測(cè)試結(jié)果表明平均注冊(cè)時(shí)間為1平54ms;均注銷(xiāo)時(shí)間13語(yǔ)音傳輸單向最小延時(shí)Z最Z1ms1ms大延時(shí)Z經(jīng)調(diào)制解調(diào)后的語(yǔ)音清晰度較好;測(cè)試70.5ms過(guò)程中系統(tǒng)軟件運(yùn)行比較流暢~穩(wěn)定;終端能夠通過(guò)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(dòng)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(xiāo)過(guò)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(kāi)串口通信~屏幕顯示和flash的讀寫(xiě)這些操作各模塊的編程語(yǔ)言均使用的是C因?yàn)楦鱾€(gè)程序模塊間有51明確的接口所以各個(gè)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(jiǎn)介王B超天津大學(xué)電信學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)碩士研究生地址I天津市南開(kāi)區(qū)鞍山西道338號(hào)百腦匯科技大廈Z03室30019Z;I_w電話(huà)I0ZZ-589780-803E-＠g實(shí)驗(yàn)與結(jié)論該終端在設(shè)計(jì)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(yè)#]實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks及其開(kāi)發(fā)環(huán)境李潞.)I](電子科學(xué)技術(shù)評(píng)論Tornado淺析Z00447-50.J.Z]]四階龍格庫(kù)塔算法的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)焦作7J.毋玉芝.()I大學(xué)學(xué)報(bào)1Z0011555-59.]山拜.達(dá)拉拜.雙模噪聲中信號(hào)識(shí)別與精確估8黃玉劃)I](電子測(cè)量技術(shù)計(jì)Z00Z10-1Z.J.Z作者簡(jiǎn)介智能檢測(cè)技術(shù)方面的研究工作碩士研究生從事電工理論新張?jiān)颇?98Z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