基于嵌入式技術(shù)的光電信號自動檢測研究

董明星， 肖鶴， 陳鑫

(西安交通工程學(xué)院 1.中興通信學(xué)院;2.人文與經(jīng)濟管理學(xué)院， 陜西 西安 710300)

0 引言

嵌入式技術(shù)應(yīng)用于由計算機控制的系統(tǒng)或者設(shè)備。用戶使用嵌入式系統(tǒng)一般是由于特定需求和特定任務(wù)，針對性較強。但是經(jīng)總體分析后可知，嵌入式系統(tǒng)通常組成模塊是相同的，幾乎都是微控制器或者計算機，字節(jié)長度沒有特殊限制。自行編寫設(shè)計輕量式的嵌入操作系統(tǒng)，通過非揮發(fā)性只讀存儲器保存固件，揮發(fā)性隨機訪問存儲器保存程序數(shù)據(jù)，并添加按鈕、開關(guān)、傳感器等硬件設(shè)備[1-3]。嵌入式系統(tǒng)的核心是專門的單片機控制器，在單個芯片上集成數(shù)個關(guān)鍵系統(tǒng)，共同組成嵌入式部分，獲得僅需極少操作的計算機。近年嵌入式技術(shù)得到飛速發(fā)展，在人類生活的各個角落都包含嵌入式系統(tǒng)的使用[4]。將該技術(shù)應(yīng)用于微弱信號的檢測系統(tǒng)中能夠提高系統(tǒng)的準確性，同時該技術(shù)具有攜帶方便、成本低、檢測準確率高等特點，應(yīng)用前景廣闊[5]。

對光電信號實行檢測是結(jié)合電子學(xué)和光學(xué)的一種新型檢測技術(shù)，通過電子技術(shù)監(jiān)測光學(xué)信號，為實現(xiàn)后續(xù)的存儲、傳遞、計算、控制以及顯示等功能奠定基礎(chǔ)[6-7]。近年來，光纖傳感信號檢測技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，從前檢測光纖傳感信號時一般使用光譜掃描儀或者單色儀等傳統(tǒng)檢測設(shè)備，這種檢測方式誤差較大，已經(jīng)不適用于現(xiàn)在的技術(shù)研究[8]。微弱光電信號往往被外界存在的大量干擾信號中包含的背景噪音所覆蓋，對微弱光電信號檢測是目前相關(guān)研究的研究重點。有學(xué)者提出基于對數(shù)放大器的微弱信號檢測系統(tǒng)[9]，該系統(tǒng)使用對稱晶體管分立原件組成的對數(shù)放大器解決微弱光信號被噪聲覆蓋的問題，能夠減小檢測誤差。但是該系統(tǒng)信號的輸入頻率和范圍存在要求，有較強的限制性。還有學(xué)者提出基于眼軸長度測量的弱光信號檢測系統(tǒng)[10]，從眼軸長度起點和終點開展計算，消除噪聲干擾，將信號的峰值提取出來，使用I-V轉(zhuǎn)換電路搭建微弱光檢測系統(tǒng)并完成增益控制，該系統(tǒng)具有增益高、噪聲低等特點，但是該系統(tǒng)計算過程過于復(fù)雜，系統(tǒng)構(gòu)建成本要求較高，不適合廣泛使用。

本文將嵌入式技術(shù)作為基礎(chǔ)設(shè)計微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)低誤差的微弱光電信號自動檢測。

1 基于嵌入式技術(shù)的微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、ARM控制模塊、光電信號檢測模塊、信號調(diào)理模塊等模塊組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在本文系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊主要包括FIFO(First Input First Output，先入先出)存儲器、ADC(匯編指令)電路，通過這些硬件相互協(xié)作采集需檢測的光電信號，將采集到的信號傳遞至微弱光電信號檢測模塊，該模塊使用小波分析算法構(gòu)建檢測模型，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化處理檢測出微弱光電信號，檢測完成后經(jīng)微弱光電信號調(diào)理模塊優(yōu)化放大信號，將調(diào)理后的信號傳至ARM(Advanced RISC Machines，微處理器)控制模塊，該模塊是這個系統(tǒng)的核心部分，將ARM處理器作為核心構(gòu)建一個嵌入式的最小系統(tǒng)，控制整個系統(tǒng)的運行，在該模塊的控制下才能完成整個系統(tǒng)的微弱光電信號的檢測工作，電源通過該模塊為整個系統(tǒng)提供動力，同時該模塊也將檢測的結(jié)果通過串行通信傳遞至PC控制端，控制端接受指令并實現(xiàn)系統(tǒng)控制，再將控制結(jié)果傳輸回ARM控制模塊，最終將檢測結(jié)果在界面中呈現(xiàn)出來。

1.2 ARM控制模塊

整個微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)的核心部分便是ARM控制模塊，核心處理器為ARM，主要組成部分如下。

(1) ARM處理器。該處理器以ARM920T核作為核心，使用32位CMOS微控制器S3C2440，該微控制器是16/32RISC(精簡指令集)微處理器，該處理器具有性能高、價格低、消耗小的特點，能夠符合本文系統(tǒng)的設(shè)計需求[11]。

(2) SDRAM。SDRAM和S3C2440的位寬分別為16位和32位，所用系統(tǒng)內(nèi)存需要使用兩塊256M、16 bit位寬的HY57V561620芯片并聯(lián)。ARM選擇SDRAM芯片的4BANK時使用地址線ADDR[24：25]。地址線的起始點為ADDR2，跳過ADDR0與ADDR1，對一個32位內(nèi)存單元的4個字節(jié)實行區(qū)分時使用mWBE[3:0]4個引腳[12]。

(3) Flash。整個系統(tǒng)使用Flash芯片的數(shù)量為兩塊。由于NorFlash能夠?qū)嵭衅瑑?nèi)執(zhí)行，所以無需復(fù)制到RAM中便能實現(xiàn)應(yīng)用程序在NorFlash內(nèi)運行。在NorFlash內(nèi)存儲引導(dǎo)程序U-boot，系統(tǒng)的文件和內(nèi)核存儲在NandFlash[13]。NorFlash的芯片容量為2MB，使用EN29LV160B，共有16位數(shù)據(jù)線和20根地址線，從NorFlash啟動系統(tǒng)，可直接將U-boot程序運行。NandFlash選擇使用K9F2G08U0A，芯片容量和數(shù)據(jù)頁分別為256MB和2KB，傳遞數(shù)據(jù)時僅有8位I/O口連接ARM的DATA[0:7]，通過分時復(fù)用，既能夠作為數(shù)據(jù)引腳也可以作為地址引腳。

(4) 串口。整個系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試都需要通過串口，串口也可以實現(xiàn)上下位機的通信。PC機和ARM分別使用RS232電平和TTL/CMOS電平，為實現(xiàn)二者的轉(zhuǎn)換，所以需要在系統(tǒng)中使用MAX3232芯片[14]。

(5) 以太網(wǎng)網(wǎng)口。串口通信過程中存在速率較慢的情況，ARM服務(wù)器和客戶端之間的信道為以太網(wǎng)，以太網(wǎng)的控制芯片選用DM9000，連接RJ45網(wǎng)絡(luò)接口使用網(wǎng)絡(luò)變壓器H1102，以便傳輸介質(zhì)接收數(shù)據(jù)。分時復(fù)用DM9000的數(shù)據(jù)信號和地址信號，這些信號與DM9000的CMD引腳連接通過ARM中的ADDR2實現(xiàn)，同時也以此區(qū)分數(shù)據(jù)信號和地址信號。DM9000的中斷信號由EINT7接收[15]。

1.3 微弱光電信號檢測模塊

(1) 構(gòu)建微弱光電信號檢測模型

系統(tǒng)中的微弱光電信號檢測模塊使用小波分析算法，將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的包含背景噪聲的微弱光電信號實行小波系數(shù)轉(zhuǎn)化，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化處理，獲得實際輸出的微弱光電信號y(k)，理想輸出微弱光電信號為d(k)，實際輸出微弱光電信號和理想輸出微弱光電信號之間的方差使用e(k)表示。在該模塊中，調(diào)節(jié)e(k)的取值大小，控制實際輸出微弱光電信號y(k)更接近理想輸出微弱光電信號d(k)，由此獲得小波分析算法轉(zhuǎn)換尺度與權(quán)值的最優(yōu)解。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值式如式(1)。

w(k+1)=w(k)-μe(k)y(k)

(1)

式中，μ代表神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的迭代次數(shù);w代表權(quán)重;e(k)=d(k)-y(k)。

假設(shè)φ(x)和ψ(x)分別為尺度函數(shù)和小波函數(shù)，與之對應(yīng)的低通濾波器和高通濾波器分別使用H(w)和G(w)表示。把數(shù)據(jù)采集模塊采集的經(jīng)背景噪音覆蓋的微弱光電信號實行小波分析優(yōu)化處理，獲得雙尺度方程式為式(2)。

(2)

對式(2)實行Fourier轉(zhuǎn)換得式(3)。

(3)

(2) 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法實現(xiàn)

在對微弱光電信號實行小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測的過程中，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化處理，獲取被干擾噪聲覆蓋的微弱光電信號小波轉(zhuǎn)化系數(shù)，以下為具體過程。

假設(shè)φLk(x)是尺度函數(shù)φ(x)單元，φLk(x)表示在低頻率L的情況下，實際輸出光電信號y(k)與理想輸出微弱光電信號d(k)無限接近。

將2-L作為單位長度，微弱光電信號采樣已經(jīng)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的F(x)信號。假如微弱光電信號的分辨率與最大分辨率無限接近時，獲取單位范圍的權(quán)值系數(shù),為式(4)。

(4)

其中,a表示權(quán)值系數(shù)。

假設(shè)采集的微弱光電信號既具有均勻性又具有穩(wěn)定性，使用Mallat算法，獲得在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空間均勻分布的微弱光電信號的輸入和輸出之間存在的非線性關(guān)系,如式(5)。

(5)

其中,Ci與θi分別表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值系數(shù)和小波分析的激活函數(shù)。假設(shè)本文使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是由m個數(shù)據(jù)和n個單元格共同組成，與之對應(yīng)的矩陣算式為式(6)。

(6)

依據(jù)F=AC關(guān)系式，獲取C的最小二乘解為式(7)。

(7)

經(jīng)歸納總結(jié)得出式(8)。

(8)

正交歸一化處理非線性函數(shù)θi(x)，經(jīng)計算得出ATA=In×n和C=ATF。經(jīng)小波分析的激活函數(shù)存在局限性，使得計算結(jié)果存在有關(guān)對角線的對稱特性，經(jīng)過計算得出實際輸出和理想輸出微弱光電信號的均方誤差為式(9)。

(9)

根據(jù)式(9)可知，獲得微弱光電信號的多次采樣提取，實現(xiàn)采集信號的降噪目的，得到任意信號的初始數(shù)據(jù)信息。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

通過仿真實驗驗證本文系統(tǒng)的有效性，使用MATLAB軟件構(gòu)建仿真平臺，模擬微弱光電信號，使用本文系統(tǒng)對這些微弱光電信號檢測。數(shù)據(jù)樣本為信噪比、帶寬和脈沖寬度分別為-4 dB、10 MHz和20 us的光電信號，該光信號是在平臺中仿真疊加高斯白噪聲和計算機本身的噪聲后的光電信號，以此模擬出自然環(huán)境中淹沒在噪聲干擾中的微弱光電信號。為對比出系統(tǒng)的性能，同時在仿真平臺中使用基于對數(shù)放大器的微弱信號檢測系統(tǒng)和用于眼軸長度測量的弱光信號檢測系統(tǒng)對樣本數(shù)據(jù)實行檢測，這2個對比系統(tǒng)分別來自參考文獻[9]和參考文獻[10]。原始包含噪聲光電信號和使用3種系統(tǒng)檢測出的微弱光電信號如圖2所示。

通過圖2能夠看出，在-4 dB信噪比條件下，文獻[9]系統(tǒng)的檢測微弱光電信號結(jié)果不穩(wěn)定，且存在部分檢測結(jié)果失真的情況；文獻[10]系統(tǒng)檢測微弱光電信號結(jié)果失真情況較嚴重，檢測結(jié)果不佳；使用本文系統(tǒng)檢測出的微弱光電信號趨勢較平緩，微弱光電信號未出現(xiàn)失真情況，說明本文系統(tǒng)能夠準確檢測出在噪聲干擾下的微弱光電信號。

3種系統(tǒng)對于仿真平臺中的微弱光電信號檢測準確率對比情況如表1所示。

表1 三種系統(tǒng)檢測準確率

從表1能夠看出，隨著時間的增加，文獻[10]系統(tǒng)保持著上升趨勢，但是總體檢測準確性較低；文件[9]系統(tǒng)檢測微弱光信號的準確率高于文獻[10]系統(tǒng)的檢測結(jié)果，但是變化不規(guī)律，波動變化較大；本文系統(tǒng)隨著時間的增加檢測微弱光信號的準確率始終保持在98%以上，說明本文系統(tǒng)具有較好的微弱光電信號檢測準確率。

(a) 原始包含噪聲光電信號

(b) 文獻[9]系統(tǒng)檢測結(jié)果

(c) 文獻[10]系統(tǒng)檢測結(jié)果

(d) 本文系統(tǒng)檢測結(jié)果

3種系統(tǒng)在不同并發(fā)人數(shù)情況下，響應(yīng)時間對比情況如表2所示。

表2 響應(yīng)時間對比

分析表2可知，隨著并發(fā)人數(shù)的增加，文獻[9]系統(tǒng)和文獻[10]系統(tǒng)的響應(yīng)時間不斷上升，其中文獻[10]系統(tǒng)的響應(yīng)時間穩(wěn)定性較差，出現(xiàn)明顯波動，且系統(tǒng)響應(yīng)時間較長，文獻[9]系統(tǒng)所需花費的響應(yīng)時間最長，當并發(fā)人數(shù)達到100人時，需要10 s以上才能做出響應(yīng)，用戶體驗感較差，本文系統(tǒng)響應(yīng)時間始終保持在3 s以下，變化較穩(wěn)定，能夠提供良好的用戶體驗。

3種系統(tǒng)的檢測誤差對比結(jié)果如表3所示。

表3 檢測誤差對比結(jié)果

分析表3可知，3種系統(tǒng)在檢測微弱光電信號時均存在誤差，但是其中本文系統(tǒng)的誤差最小，經(jīng)過15次反復(fù)實驗后，本文系統(tǒng)的誤差平均值為0.002 nm，而兩種對比系統(tǒng)的檢測誤差分別達到0.010 nm和0.008 nm，遠高于本文系統(tǒng)的檢測誤差。由此進一步證明本文系統(tǒng)在檢測微弱光電信號時具有極佳的準確性。

3 總結(jié)

本文采用嵌入式技術(shù)作為基礎(chǔ)，設(shè)計微弱光電信號自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用嵌入式技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的硬件部分，該部分充分發(fā)揮ARM處理器的優(yōu)良性能，具有成本低、穩(wěn)定性好等特點，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的能力和調(diào)試能力，通過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測模型實現(xiàn)微弱光電信號的自動檢測。該系統(tǒng)在包含噪聲的光電信號中能夠準確完成微弱光電信號的識別，與同類系統(tǒng)相比，檢測準確性更高，誤差更低，且效率更高，具有良好的檢測性能。