信号数据采集的方法优化

关于探测器的输出信号检测方法已在前述相关章节中作了具体阐述和分析，设计合理的微弱信号检测方法对提取有用的输出信号在微纳传感器应用中十分重要。根据红外探测器设计原理及红外吸收关系，吸收的红外辐射产生电信号输出，要把这一特征的输出信号提取出来，通常需要提供脉冲的红外辐射，输出信号则是类似正弦信号的交变信号，而有用的信号则是输出信号的幅值，如何有效地采集这一输出信号也是一个关键技术。

由于红外探测器的信号是通过脉冲电流源调制得来的，因此通过分析被检测的输出信号特征，以及结合实际的红外探测器感光特性，采取合适的数据采集方法。其红外探测器输出的气体通道信号、参考通道信号与调制脉冲电流源之间的关系如图6-1所示。

在脉冲调制的方式下，响应通道、参考通道、调制脉冲信号之间的关系如图6-1a所示。每一通道的输出初始值应该被采集，也就是说每一通道输出的峰-峰值的最低点。探测器输出信号与红外光源亮、灭之间的关系如图6-1b所示。初始值是否稳定应该通过程序来评价，一些可能出现的初始值被实验测试存储在微处理器中。

当红外灯被点亮直到稳定，每一通道的输出信号的最终值被采集，也就是输出信号的峰值，最终值（B）与红外灯亮、灭之间的关系如图6-1b所示。同样，最终值（B）是否稳定也应该通过程序来评价，一些可能出现的值被实验测试存储在微处理器中。

被放大处理的检测器信号以及温度信号应该被多次采样平均，这样能够减小周期噪声的影响，其他的具体描述如图6-1所示。

图6-1 红外探测器输出的气体通道信号、参考通道与调制脉冲电流源之间的关系

由图6-1所示可知，脉冲电流源的频率为3Hz，两路通道信号则为与脉冲频率有关的输出信号，输出的两路信号有一个偏置电压，而气体浓度则为与气体通道的峰-峰值有关，峰-峰值随着浓度的改变而改变，经过分析和大量实验表明，两个通道有用的信号值为各自的当前峰-峰值，所以A-D采集的时候必须采集到被调制的两通道的峰-峰值，由软件通过控制A-D采集器和模拟开关来实现。

本书中，采用的单片机内部自带的A-D转换器，有利于仪器微型化设计。采集中采用单端输入，单次模式转换功能是关键，主要体现在如何实现通道之间的切换，设计采用的是一种用标志位查询的方法，在实际应用中取得了较好的效果，另外还有用定时器查询的方法和中断方法，都不如此方法简单和易理解。图6-2所示为单一通道的A-D采集设计框图，而图6-3所示为多通道A-D采集设计框图。(www.xing528.com)

图6-2 单一通道的A-D采集设计框图

图6-3 多通道的A-D采集设计框图

对于图6-2，要准确采集两通道输出信号峰-峰值，每一幅值计算采样周期必须为0.5～1s，且采样的频率要足够大，这样才能保证采集了足够的点，使一个周期内的输出信号峰-峰值包括在内，对于在一个采样周期内的所有的采样点，通过逐次比较法筛选、优化后，最终得到最大值点和最小值点，这样一个周期内的峰-峰值也就求得了，然后通过软件设计、模拟开关配置，使采集切换到另一通道，方法类似，这样循环采集到N次时，这N次的各通道峰-峰值被保存到了一个数组中，然后通过一系列的计算处理得到一个气体浓度值。

而对于这N次数据处理，首先对它进行数字滤波，这是一般数据采集所必须进行的一些处理工作，具体选择的方法得根据信号的特点、采样的速度进行选择适当的方法，在此设计中所用的一种方法为中位值平均滤波法。中位值也就是连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值，而中位值平均滤波法是连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值。这种方法对于偶然出现的脉冲性干扰进行滤波，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，适合测量速度较慢的场合。

这样一个完整的周期采样后，得到的两个通道的有效的峰-峰值，设采集到的气体通道值为U_Act，采集到的参考通道的值为U_Ref，这两个值通过某种关系的计算，是可以计算出气体的浓度的，具体的方法在下面几节中详细讨论。