1 导言
在线监测体系中，待测信号幅值在50μV左右，而背景噪声幅值在50mV以上，用一般的收集和丈量体系无法精确检测该信号。针对被背景噪声掩盖的细小信号，选用滤波降噪和差分扩大手法，进步信噪比，保证待测信号能被精确收集；选用依据ARM核的32位微处理芯片S3C44B0X和依据μClinux操作体系的嵌入式图形用户界面MicroWindows，完结实时显现丈量成果和完结毛病主动报警，一起具有体积小、功耗低、操作灵敏的特色，为完结微伏信号在线监测功用供给了一种杰出的解决方案。
2 体系硬件规划
整个微伏信号在线监测体系硬件首要分为两个部分，即前置扩大电路和依据ARM的数据收集与显现电路。
2.1 前置扩大电路
待测信号幅值为50μV，而背景噪声幅值在50mV以上，SNR（信噪比值）在1/1000以下，所以有必要依据信号特色进行下降噪声功率，进步信噪比。经过试验，发现信号与噪声频谱不堆叠，噪声频率首要会集在高频段。运用滤波器的频率挑选特性，可设置低通滤波器，其通带规模能够掩盖信号的频谱，使信号经过滤波器衰减很少，一起噪声频率处于通带之外，经过滤波器后功率大幅度衰减，因而信噪比得以进步。
本规划选用二阶有源低通滤波器，经试验比照，取二阶有源低通滤波器的截止频率fH为200Hz，品质因数Q为0.707，可使SNR达10以上，SNIR（信噪改进比）达10000以上。
在实践运用中发现，待测信号和监测体系之间的参阅零电势点之间存在电势差，因为两者由同一电源供电，因而构成“地环流”。电流从电源地线流入被测信号的接地址，然后经过信号地线流入监测体系，又经过监测体系的接地址回到电源地线，导致在线监测的过程中地线上呈现很高的共模搅扰噪声。在这样的作业环境下，运用一般的低温漂高精度运算扩大电路，不能精确扩大和丈量待测信号。因而本规划选用高增益、高输入阻抗和高共模抑制比的三运放差分扩大电路，消除共模搅扰，如图2所示。
图2 三运放差分扩大电路
集成运放A1和A2都接成同相输入、份额运算电路方法，这样电路输入阻抗很高。电路结构选用严格地对称方法，以使漂移、噪声、失调电压及失调电流等相互抵消。一起选用高精细电阻，以进步丈量精度。将滤波后的信号线接入Vi+端口，而把信号地线接入Vi-端口，经过三运放差分扩大电路输出电压为：
经试验比照，本规划在强搅扰环境下，对微伏信号有较好的扩大作用。经过前置扩大后的信号，有用地消除了搅扰和噪声，具有杰出的线性关系，试验成果如图3所示。经过差动扩大后的信号，再经过一般运算扩大器进行电压平移和扩大，即可成为契合A/D收集要求的0~2.5V电压单极性信号。
图3 前置扩大电路的线性关系
2.2 数据收集与显现电路
本规划中数据收集和显现电路的中心器材选用32位ARM7内核嵌入式处理器S3C44B0X。S3C44B0X内置部件有8通道10位ADC（模数转换器）、8KB cache（高速缓存器）、内置SDRAM（同步动态存储器）、LCD操控器、2通道UART（通用异步收发器）、4通道DMA（直接存储器存取）、71个通用I/O端口等。
本规划中运用S3C44B0X完结A/D数据收集、LCD操控液晶显现器、键盘输入和毛病报警四个首要功用。经前置扩大电路处理完结之后的0~2.5V电压电极性信号，由S3C44B0X的10位精度片上A/D收集到CPU中。S3C44B0自带LCD操控器，运用DMA操控器从体系RAM中的显现缓冲区读取显现数据，供给给LCD操控器改写液晶显现屏。键盘和报警电路运用S3C44B0通用I/O端口进行操控。
3 体系软件规划
本体系软件规划依据μClinux操作体系和MicroWindows图形用户界面。μClinux操作体系是从Linux内核派生而来，在规范的Linux基础上进行了恰当的裁剪和优化，具有易装备、体积小、易移植的长处。用MicroWindows图形用户界面完结相似桌面电脑的视窗作用，易于完结人机交互。
体系软件包含操作体系自带的设备驱动程序、操作体系运转环境、依据用户需求自定义的设备驱动程序、封装了底层驱动的中间层接口程序、高档运用程序几个部分。在本体系软件规划中，分别在驱动层和高档运用层程序中完结，其间高档运用层程序框图如图4所示。
图4 高档运用程序框图
高档运用程序的规划以操控算法为中心，多个使命为操控服务。体系内核守时将测得的数据经过回调函数传递给高档运用程序。高档运用程序为每个被测通道分配一个数据缓冲区，数据缓冲区是个含有10个无符号整型数的数组，GCC编译器默许无符号整型数长度为16位。丈量电路中ADC为10位模数转换器，缓冲区中的每个单元的低10位存储数值，最高位为1表明该数据无效或许现已被处理，为0表明该数据有用并等候处理，第10～14位表明数据编号，用以区别不同通道的数据。内核驱动程序把丈量数据按格局准备好后，回调函数把数据传送给高档运用程序。运用程序只需运用“与”、“或”操作就能够提取数据类型、实践数据等信息。
3.1 自定义设备驱动
设备驱动程序是操作体系和硬件设备之间的接口，它首要完结对设备初始化、完结内核和运用程序与设备之间的数据交换、检测处理设备过错等功用。在μClinux操作体系运用设备文件的方法来进行设备管理运用，一个详细的物理设备被映射为一个设备文件，用户程序能够像对其它文件相同对此设备文件进行翻开、封闭、数据读写等操作。
体系软件规划中的驱动层部分，除了运用μClinux操作体系自带的设备驱动程序以外，需求对外部设备编写自定义的设备驱动程序，以满意操作体系的要求。以字符设备为ADC为例，首要对其编写自定义的驱动程序。运用结构体file_operations{}作为ADC字符设备的函数接口，内核经过这个函数接口来操作设备。自定义后的file_operations{}结构体如下：
struct file_operations ADC_fops = {
read: ADC_read, //从设备中读数据操作
poll: ADC_poll, //查询设备
ioctl: ADC_ioctl, //进行读、写以外的IO操控操作
open: ADC_open, //翻开设备
release: ADC_release, //封闭设备
……};
编写自定义的驱动程序完结后，内核调用相应的函数即对ADC设备文件进行open、ioctl等详细操作。
3.2 图形用户界面规划
图形用户界面（GUI）把图形视窗引进到嵌入式平台上，其友爱的界面为大多数用户所承受，也得到越来越广泛的运用。本规划选用MicroWindows来完结图形界面，以窗口方法显现丈量数据及其它参数。MicroWindows是一个较早呈现的、开放源码的嵌入式图形用户界面软件，它供给了比较完好的图形功用，支撑多种外部设备输入，具有占用空间小、可移植性好的长处。在μClinux操作体系上运用MicroWindows易于图形程序的开发。
MicroWindows选用了层次化结构：在底层供给设备的驱动，在中间层经过一个可移植图形引擎完结制作多边形、区域填充、运用色彩等，在顶层完结多种API以习惯不同的运用环境。MicroWindows API 之间选用音讯传递的根本通讯机制。音讯被储存在运用程序的音讯行列中，不同音讯对应不同的事情，中心的API经过传递对应相应事情的音讯来完结各种功用，如窗口的创立、制作、移动等等。
在本规划中，编写依据Microwindows的运用程序，根本结构为初始化、创立窗口与资源、进入音讯循环三部分。主程序中相关部分如下所示：
int WINAPI WinMain()
{MwRegisterEditControl(NULL); // 声明不运用控件
wndclass.style= CS_DBLCLKS | CS_HREDRAW | CS_VREDRAW;
wndclass.lpszClassName = szAppName; // 创立窗口特点的结构体变量
RegisterClass(wndclass);
hwnd=CreateWindowEx(); //创立窗口
while (1)
{if(PeekMessage(msg,NULL,0,0,PM_REMOVE)) //音讯查询
{TranslateMessage(msg);DispatchMessage(msg);} //传递音讯至窗口处理程序
ScanKey_function(); //扫描键盘
RxKeyvalue(hedit_Param);
……}}
在调用窗口创立函数CreateWindowEx()后，体系在内存中创立了一个虚拟的窗口，之后调用窗口显现函数ShowWindow()就可将虚拟窗口显现为可视窗口，成为Windows风格的视窗界面。在本规划中，主程序运转时不断调用提取音讯函数PeekMessage()，检查音讯行列是否收到使命信息，当有信息发生时，就履行对应的音讯处理函数。一起，在音讯循环里也重复调用键盘缓冲区查询函数RxKeyvalue ()，检查是否有键盘输入，以便随时呼应。
4 抗搅扰办法
在本规划中，选用低温漂的基准稳压电源为前置扩大电路供电，并且在每个元件的电源管脚处加去耦%&&&&&%。元器材选用高精度、漂移小的精细运算扩大器；选用高精度、低温漂的精细电阻；信号线选用双绞线或屏蔽线。印刷板布线时，尽量缩短前置扩大电路的信号线，并保证了电路接地、屏蔽杰出。
5 结语
本文立异点在于规划和完结了一种依据ARM的微伏信号在线监测体系，以差动扩大方法消除外界对丈量信号的搅扰，运用S3C44B0X微处理器和μClinux操作体系完结液晶屏显现数据、人机交互和毛病主动报警功用，为完结微伏信号在线监测供给了一种体积小、功耗低、操作灵敏的解决方案。本规划已投入运用，长期作业安稳。
