基于ARM的過(guò)采樣技術(shù)

精品文檔-下載后可編輯基于ARM的過(guò)采樣技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)宏觀和微觀世界逐步了解，越來(lái)越多領(lǐng)域（物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、軍事雷達(dá)、地震學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等）的微弱信號(hào)需要被檢測(cè)，例如：弱磁、弱光、微震動(dòng)、小位移、心電、腦電等[1~3].測(cè)控技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，基本上采用以下兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種是先將信號(hào)放大濾波，再用低或中分辨率的ADC進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，再做信號(hào)處理，另一種是使用高分辨率ADC,對(duì)微弱信號(hào)直接采樣，再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。兩種方法各有千秋，也都有自己的缺點(diǎn)。前一種方法，ADC要求不高，特別是現(xiàn)在大部分微處理器都集成有低或中分辨率的ADC,大大節(jié)省了開(kāi)支，但是增加了繁瑣的模擬電路。后一種方法省去了模擬電路，但是對(duì)ADC性能要求高，雖然∑-△ADC發(fā)展很快，已經(jīng)可以做到24位分辨率，價(jià)格也相對(duì)低廉，但是它是用速度和芯片面積換取的高精度[4],導(dǎo)致采樣率做不高，特別是用于多通道采樣時(shí)，由于建立時(shí)間長(zhǎng)，采樣率還會(huì)顯著降低，因此，它一般用于低頻信號(hào)的單通道測(cè)量，滿足大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合。而本文提出的方案，可以繞過(guò)上述兩種方法的缺點(diǎn)，利用兩者的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的高精度測(cè)量。

過(guò)采樣技術(shù)是提高測(cè)控系統(tǒng)分辨率的常用方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如，過(guò)采樣成功抑制了多用戶CDMA系統(tǒng)中相互正交用戶碼接收機(jī)（AMutuallyOrthogonalUsercode-Receiver,AMOUR）的噪聲[5~6],提高了光流估計(jì)（opticalflowestimation,OFE）的精度[7],改善了正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)的峰-均比[8]等。但是，這些過(guò)采樣技術(shù)應(yīng)用的前提是采樣前的信號(hào)幅值能與ADC的輸入范圍相當(dāng)。而用ADC采集微弱信號(hào)時(shí)，直接使用過(guò)采樣技術(shù)提高不了精度，而且由于信號(hào)幅值遠(yuǎn)小于ADC的輸入范圍，它的有效位數(shù)還會(huì)減小，使精度隨之下降。本文采用先疊加成形函數(shù)的方法，然后利用過(guò)采樣技術(shù)，解決了因?yàn)樾盘?hào)幅值小，而使過(guò)采樣失效的問(wèn)題。本文還詳細(xì)分析了成形函數(shù)類型和幅值，以及過(guò)采樣率對(duì)分辨率的影響。

1過(guò)采樣技術(shù)分析

1.1過(guò)采樣原理

過(guò)采樣是對(duì)待測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采樣，獲取樣本數(shù)據(jù)，累計(jì)求和這些樣本數(shù)據(jù)，并對(duì)它們均值濾波，減小噪聲后終獲得采樣結(jié)果。過(guò)采樣在一定條件下能夠提高信噪比（SNR），同時(shí)使噪聲減弱，從而提升測(cè)量分辨率。過(guò)采樣技術(shù)將采樣頻率提高到被采樣頻率的4倍，能過(guò)濾掉高于3fb的分量，用數(shù)字濾波器過(guò)濾fb~3fb的分量，終有用分量被完全保存下來(lái)。若采取足夠多次采樣，則能重現(xiàn)原始信號(hào)。式（1）是過(guò)采樣的頻率要求

式（1）中，F(xiàn)o為過(guò)采樣頻率；n為希望增加的分辨率位數(shù)；fb為初始采樣頻率要求。

1.2過(guò)采樣與噪聲、分辨率的關(guān)系

在提出過(guò)采樣與噪聲的對(duì)應(yīng)關(guān)系之前，對(duì)量化噪聲作一簡(jiǎn)單描述。量化誤差是由相鄰ADC碼的間距所決定，因此相鄰ADC碼之間的距離為

式（2）中，N為ADC碼的位數(shù)；Vr為基準(zhǔn)電壓。式（3）為量化誤差ed的關(guān)系式。

奈奎斯特定理指出，如果被測(cè)信號(hào)的頻帶寬度小于采樣頻率的1/2,那么可以重建此信號(hào)。現(xiàn)用白噪聲近似描繪實(shí)際信號(hào)中的噪聲，在信號(hào)頻帶中的噪聲能量譜密度為

式(4)中，e(f)為帶內(nèi)能量譜密度；ea為平均噪聲功率；fs為采樣頻率。

ADC量化噪聲的功率關(guān)系如式(5)所示。由于量化噪聲會(huì)引發(fā)固定噪聲功率，因此針對(duì)增加的有效位數(shù)能夠計(jì)算過(guò)采樣比

式(6)中P為過(guò)采樣比；fs為采樣頻率；fm為輸入信號(hào)頻率。低通濾波器輸出端的帶內(nèi)噪聲功率見(jiàn)式(7)。其中n2是濾波器輸出的噪聲功率

由此可見(jiàn)，過(guò)采樣能減少噪聲功率卻又對(duì)信號(hào)功率不產(chǎn)生影響，在減小量化誤差的同時(shí)，能夠獲得與高分辨率ADC相同的信噪比，從而增加被測(cè)數(shù)據(jù)的有效位數(shù)。通過(guò)提高采樣頻率或過(guò)采樣比可提高ADC有效分辨率。

2過(guò)采樣滿足條件及操作步驟

對(duì)于過(guò)采樣，理論上需要信號(hào)有一定噪聲，并且必須近似白噪聲，幅度足夠大。若噪聲信號(hào)不能滿足前面講述的理論要求，就需要引入噪聲激勵(lì)。因此，選用周期性噪聲作為激勵(lì)信號(hào)。同時(shí)對(duì)激勵(lì)噪聲有一定要求：激勵(lì)噪聲幅度≥1LSB;噪聲均值在添加激勵(lì)噪聲時(shí)必須是0.

在理解過(guò)采樣理論及需要滿足的條件后，出于對(duì)具體應(yīng)用的考慮，設(shè)計(jì)了過(guò)采樣的操作步驟，概括如下：

（1）判斷被采樣信號(hào)是否有噪聲，如果沒(méi)有噪聲，則疊加周期性激勵(lì)噪聲。

（2）對(duì)信號(hào)進(jìn)行4n次過(guò)采樣（n為希望增加的分辨率位數(shù)）。如果使用片內(nèi)10位ADC,希望得到14位的ADC精度，則需要44即256次10位的過(guò)采樣。

（3）抽取數(shù)字序列，對(duì)各個(gè)采樣值進(jìn)行累加。

（4）對(duì)累加后的采樣數(shù)據(jù)，若提高n位精度則右移n位，終得到過(guò)采樣值。

3LM3S8962實(shí)現(xiàn)ADC過(guò)采樣

3.1Cortex-M3內(nèi)核特點(diǎn)介紹

ARMCortex?-M3處理器是行業(yè)的32位處理器，適用于具有高確定性的實(shí)時(shí)應(yīng)用，已專門開(kāi)發(fā)為允許合作伙伴為范圍廣泛的設(shè)備（包括微控制器、汽車車體系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和傳感器）開(kāi)發(fā)高性能低成本的平臺(tái)。該處理器提供出色的計(jì)算性能和對(duì)事件的卓越系統(tǒng)響應(yīng)，同時(shí)可以應(yīng)對(duì)低動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功率限制的挑戰(zhàn)。該處理器是高度可配置的，可以支持范圍廣泛的實(shí)現(xiàn)（從那些需要內(nèi)存保護(hù)和強(qiáng)大跟蹤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)到那些需要極小面積的對(duì)成本非常敏感的設(shè)備）。該內(nèi)核具有如下特性：（1）采用ARMv7M架構(gòu)，在ARMv4T架構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)展了36條指令。

（2）基于哈佛結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)與指令可同時(shí)從存儲(chǔ)器讀取，并行執(zhí)行多個(gè)操作，加快程序執(zhí)行速度。與ARM7TDMI-S相比，比ARM指令每兆赫效率提高了35%,比Thumh指令效率提高了70%.

（3）帶有多種睡眠和喚醒模式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的低功耗。

（4）單周期乘法、乘-加、硬件除法指令，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算。

（5）低延遲中斷處理：支持8層硬件中斷嵌套，末尾連鎖功能，高優(yōu)先級(jí)中斷遲來(lái)處理。

3.2過(guò)采樣的軟件實(shí)現(xiàn)

（1）外設(shè)初始化。

在軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣之前，必然要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化和配置。初始化定時(shí)器、ADC、UART等模塊，定時(shí)器模塊用來(lái)提供系統(tǒng)時(shí)鐘周期，配置ADC的觸發(fā)模式和采樣速率，利用UART將測(cè)量值傳遞給PC,方便查驗(yàn)是否正確。

（2）產(chǎn)生PWM信號(hào)，作為噪聲。

為了保證過(guò)采樣原理應(yīng)用的可靠性，引入噪聲激勵(lì)信號(hào)。而為了避免激勵(lì)噪聲出現(xiàn)的誤差，使用內(nèi)部的PWM信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生周期性和對(duì)稱性很好的PWM波，作為激勵(lì)噪聲。產(chǎn)生噪聲步驟如圖1所示。

（3）數(shù)據(jù)的采集、濾波及抽取。

在過(guò)采樣中所做的數(shù)字平均濾波僅提高了平滑度，精度卻并沒(méi)有增加，抽取過(guò)程才是真正意義上的提高精度。額外的K次采樣，按照常規(guī)平均那樣進(jìn)行累加，但并不是直接將結(jié)果除以M,而是右移N位（N是期待所增加的額外精度），得到更的采樣結(jié)果。

過(guò)采樣算法如圖2所示。對(duì)TI的LM3S8962芯片，將10位AD值的精度提高到12位的方法，直接調(diào)用寄存器讀取函數(shù)HWREG訪問(wèn)FIFO緩存區(qū)，經(jīng)過(guò)兩次循環(huán)，將從FIFO中收集到的16個(gè)10位轉(zhuǎn)換值相加，產(chǎn)生一個(gè)14位結(jié)果，右移2位后就得到所希望的12位AD值。

4應(yīng)用分析

轉(zhuǎn)換速率、穩(wěn)定度和分辨率是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的衡量標(biāo)準(zhǔn)。為了能夠清楚地看到利用過(guò)采樣技術(shù)后對(duì)AD值改善的效果，采用LM3S8962芯片進(jìn)行了12位ADC過(guò)采樣實(shí)驗(yàn)。根據(jù)顯示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)量情況，給出并分析了指標(biāo)的改善情況。

對(duì)于轉(zhuǎn)換速率，使用片內(nèi)定時(shí)器進(jìn)行測(cè)量，在CPU為50MHz時(shí)鐘頻率狀態(tài)，ADC的采樣速度為100kHz時(shí)，采樣連續(xù)觸發(fā)模式進(jìn)行1次12位過(guò)采樣時(shí)間是52μs,由于在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時(shí)還要訪問(wèn)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，因此再加上64μs才是它的實(shí)際速度。

對(duì)數(shù)次采樣后獲得的值進(jìn)行數(shù)字濾波，滑動(dòng)平均后，得到較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)值，通過(guò)串口傳送過(guò)采樣后的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。1組數(shù)據(jù)有6bit,其中前3bit是原來(lái)的10位采樣值，后3bit是12位過(guò)采樣值。從圖3中能夠得知，12位過(guò)采樣分辨率的值比10位采樣值的分辨率值更穩(wěn)定。

為了驗(yàn)證位數(shù)越高，采樣精度越高，做了一個(gè)13位的過(guò)采樣實(shí)驗(yàn)。采樣過(guò)程中，循環(huán)8次，獲得64組AD值，并利用分段折線法校正非線性誤差，將采樣值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓值。從圖4中可以看出，過(guò)采樣后的電壓值波動(dòng)很小，效果尤為明顯。

5結(jié)束語(yǔ)

文中從過(guò)采樣的頻譜特性出發(fā)，分析了過(guò)采樣技術(shù)的基本原理。隨后采用TI公司高性價(jià)比的Cortex-M3內(nèi)核ARM,利