基于嵌入式的微弱电流信号采集系统的软件设计和实现.pdf

摘要

随着我国科技水平的不断进步，作为现代化高端精密仪器代表之一的微弱电

流信号检测仪器，其需求量呈现了爆发性的增长。微弱电流信号调理与检测已广泛

应用于生物医学、传感器、通信、工业自动化等领域，然而当前我国主流的微弱电

流信号检测仪器尚未能实现高分辨率、高精度并且具备实时、图形化显示功能的系

统设计。而在精密测量等实际应用场景中，往往需要测量仪器在实现高分辨率、高

精度的同时，具备灵活、高效以及可交互的微弱信号采集系统。因此，研究具备LXI

仪器网络控制、高精度和可编程的特点的微弱信号采集系统具有广阔的应用前景。

为此，本文旨在设计和实现一种基于嵌入式的微弱电流信号采集系统软件，主要工

作和研究内容如下：

1.基于微弱电流信号采集系统的性能指标，分析和设计了软件系统的全局架构。

随后分别设计了噪声处理和校准方案、部署在ARM上的服务器和面向对象的客户

端程序架构，并且搭建了开发环境，进而为后续系统开发奠定了良好的基础。

2.研究了数据噪声的来源和特性，并针对底噪和工频噪声过高的问题，研究并

设计了一种基于改进的分数阶LMS自适应算法及基于自适应陷波和IIR陷波的降

噪方法，将底噪和50Hz工频噪声降低30dB以上。随后，利用校准提升精度，同

时构建了一套综合数据处理方案，保证了系统的测量分辨率、精度和动态范围，并

且通过仿真验证了处理方案的有效性。

3.设计并实现了ARM程序与硬件采集部分的通信系统且完成了仪器的功能

驱动设计。同时编写了仪器专用指令，并结合分级解析策略实现了对命令的解析。

随后通过网络传输模块、程序整体控制模块和接口模块的程序实现了基于LXI协

议的服务器，进而为后续上位机和仪器间通信打下了坚实的基础。

4.从交互界面设计、仪器发现、仪器控制、综合数据处理、数据可视化这五个

模块设计并实现了上位机控制软件。此外，基于模块化设计与分层独立设计思想将

不同模块功能分别封装为类，具备易于和不同对象组合、可扩展性强以及便于后续

更新与维护等优点。

5.搭建了测试平台并对仪器关键指标中的测量精度、电流分辨率和动态范围

进行了测试，验证了所设计的综合数据处理方案的准确性和有效性。随后测试了仪

器各项功能的准确性和完备性，进而验证了系统的稳定性与可靠性。

关键词：微弱电流检测，嵌入式软件，LXI仪器，分数阶LMS

ABSTRACT

WiththecontinuousprogressofChinaslevelofscienceandtechnology,weak

currentsignaldetectioninstruments,asoneoftherepresentativesofmodernprecision

instruments,itsdemandhasshownexplosivegrowth.Itiswidelyappliedinbiomedicine,

sensors,communications,industrialautomation,andotherfields.However,the

mainstreamweakcurrentsignaldetectioninstrumentsinChinahavenotyetachieveda

systemdesignthatoffershighresolution,highprecision,andreal-timegraphicaldisplay

capabilities.Inpracticalapplicationsofprecisionmeasurement,itisoftenrequiredthat

measurementinstruments,whileachievinghighresolutionandhighaccuracy,alsohave

aflexible,efficient,andinteractivesystemfortheacquisitionofweaksignals.Therefore,

researchingaweaksignal