在線監測系統中，待測信號幅值在50μV左右，而背景噪聲幅值在50mV以上，用一般的采集和測量系統無法準確檢測該信號。針對被背景噪聲覆蓋的微小信號，采用濾波降噪和差分放大手段，提高信噪比，保證待測信號能被準確采集；采用基于ARM核的32位微處理芯片S3C44B0X和基于μClinux操作系統的嵌入式圖形用戶界面MicroWindows，完成實時顯示測量結果和實現故障自動報警，同時具有體積小、功耗低、操作靈活的特點，為實現微伏信號在線監測功能提供了一種良好的解決方案。

2 系統硬件設計

整個微伏信號在線監測系統硬件主要分為兩個部分，即前置放大電路和基于ARM的數據采集與顯示電路，如圖1所示。

2.1 前置放大電路

待測信號幅值為50μV，而背景噪聲幅值在50mV以上，SNR（信噪比值）在1/1000以下，所以必須根據信號特點進行降低噪聲功率，提高信噪比。通過實驗，發現信號與噪聲頻譜不重疊，噪聲頻率主要集中在高頻段。利用濾波器的頻率選擇特性，可設置低通濾波器，其通帶范圍能夠覆蓋信號的頻譜，使信號通過濾波器衰減很少，同時噪聲頻率處于通帶之外，通過濾波器后功率大幅度衰減，因此信噪比得以提高。

本設計采用二階有源低通濾波器，經實驗對比，取二階有源低通濾波器的截止頻率fH為200Hz，品質因數Q為0.707，可使SNR達10以上，SNIR（信噪改善比）達10000以上。

在實際應用中發現，待測信號和監測系統之間的參考零電勢點之間存在電勢差，由于兩者由同一電源供電，因而形成“地環流”。電流從電源地線流入被測信號的接地點，然后通過信號地線流入監測系統，又通過監測系統的接地點回到電源地線，導致在線監測的過程中地線上出現很高的共模干擾噪聲。在這樣的工作環境下，使用普通的低溫漂高精度運算放大電路，不能準確放大和測量待測信號。因此本設計采用高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比的三運放差分放大電路，消除共模干擾，如圖2所示。

圖2 三運放差分放大電路

集成運放A1和A2都接成同相輸入、比例運算電路形式，這樣電路輸入阻抗很高。電路結構采用嚴格地對稱形式，以使漂移、噪聲、失調電壓及失調電流等互相抵消。同時采用高精密電阻，以提高測量精度。將濾波后的信號線接入Vi+端口，而把信號地線接入Vi-端口，經過三運放差分放大電路輸出電壓為：

經實驗對比，本設計在強干擾環境下，對微伏信號有較好的放大效果。經過前置放大后的信號，有效地消除了干擾和噪聲，具有良好的線性關系，實驗結果如圖3所示。經過差動放大后的信號，再經過普通運算放大器進行電壓平移和放大，即可成為符合A/D采集要求的0~2.5V電壓單極性信號。

圖3 前置放大電路的線性關系

2.2 數據采集與顯示電路

本設計中數據采集和顯示電路的核心器件采用32位ARM7內核嵌入式處理器S3C44B0X。S3C44B0X內置部件有8通道10位ADC（模數轉換器）、8KB cache（高速緩存器）、內置SDRAM（同步動態存儲器）、LCD控制器、2通道UART（通用異步收發器）、4通道DMA（直接存儲器存取）、71個通用I/O端口等。

本設計中使用S3C44B0X完成A/D數據采集、LCD控制液晶顯示器、鍵盤輸入和故障報警四個主要功能。經前置放大電路處理完成之后的0~2.5V電壓電極性信號，由S3C44B0X的10位精度片上A/D采集到CPU中。S3C44B0自帶LCD控制器，利用DMA控制器從系統RAM中的顯示緩沖區讀取顯示數據，提供給LCD控制器刷新液晶顯示屏。鍵盤和報警電路利用S3C44B0通用I/O端口進行控制。

3 系統軟件設計

本系統軟件設計基于μClinux操作系統和MicroWindows圖形用戶界面。μClinux操作系統是從Linux內核派生而來，在標準的Linux基礎上進行了適當的裁剪和優化，具有易配置、體積小、易移植的優點。用MicroWindows圖形用戶界面實現類似桌面電腦的視窗效果，易于實現人機交互。

系統軟件包括操作系統自帶的設備驅動程序、操作系統運行環境、根據用戶需要自定義的設備驅動程序、封裝了底層驅動的中間層接口程序、高級應用程序幾個部分。在本系統軟件設計中，分別在驅動層和高級應用層程序中實現，其中高級應用層程序框圖如圖4所示。

圖4 高級應用程序框圖