用于雷達式生命探測儀的信號處理系統(tǒng)設計

引言
    雷達式生命探測儀是以非接觸方式獲取墻壁、廢墟等不透明障礙物后生命體微動信息的探測系統(tǒng)。其基本原理是：首先發(fā)射特定形式的電磁波，當電磁波照射到人體后，其回波信號被人體運動(心跳、呼吸、走動)所調(diào)制而產(chǎn)生多普勒頻率，而后采用一定的硬件電路和軟件算法，從檢測到的多普勒頻率中提取人體的生命特征參數(shù)，最終判別出人體有／無、動／靜、數(shù)量等狀態(tài)信息。雷達式生命探測儀應用廣泛，特別是近年來由于世界各地大型自然災害的頻發(fā)和恐怖犯罪活動的猖獗，更使雷達式生命探測儀日益受到重視。而由于生命探測儀的應用環(huán)境復雜多變，因此對它提出了外觀小型化、便攜化和檢測智能化、實時化的要求。信號處理系統(tǒng)是生命探測儀的重要組成部分。本課題的研究采用功能強大的高速浮點數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320C6711B來完成大量復雜運算，以減小設備體積和功耗。從軟件和硬件兩方面入手，解決實時檢測和操作攜帶方便的問題。

1 系統(tǒng)設計方案
    信號處理系統(tǒng)分為模擬信號處理系統(tǒng)和數(shù)字信號處理系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。系統(tǒng)的主體是由DSP芯片和A／D轉(zhuǎn)換芯片組成，如圖1所示。其中A／D主要完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，DSP芯片則用于完成數(shù)字信號的分析、處理以及控制。系統(tǒng)中的前端預處理部分主要完成對I／Q信號的調(diào)制解調(diào)、A／D轉(zhuǎn)換、部分實時數(shù)字信號處理、處理后數(shù)據(jù)的傳輸，以及接收和處理后端發(fā)來的命令(包括信號放大倍數(shù)、A／D的采樣率、數(shù)字信號處理過程中參數(shù)的選擇等)。系統(tǒng)的后端則主要用于控制和顯示，完成人機交互功能。DSP外擴的FLASH完成boot loader，上電啟動后DSP自動從FLASH中加載程序到DSP內(nèi)部RAM中運行，外擴的SDRAM用于DSP進行算法處理時暫存數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設計
2．1 DSP芯片選擇
    設計DSP應用系統(tǒng)，選擇DSP是非常重要的一個環(huán)節(jié)，只有選擇好了DSP才能進一步設計外圍電路。根據(jù)本系統(tǒng)設計中所提出的硬件電路集成度高、體積小、功耗低和實時檢測顯示的要求和滿足小波變換、FFT、諧波分解、維格納分布多種復雜算法的需要，選用Tl公司新型C6000系列高性能浮點DSPTMS320C6711B作為系統(tǒng)的信號處理開發(fā)平臺。其主要特點有：片內(nèi)8個并行的處理單元，可分為相同的兩組。它的體系結構采用超長指令字(VLIW)結構，單指令字長為32b，8個指令組成一個指令包，總字長為8×32=256 b。芯片內(nèi)部設置了專門的指令分配模塊，可以將256 b的指令包同時分配到8個處理單元，并由8個單元同時運行。由于芯片的最高時鐘頻率可以達到150 MHz，當片內(nèi)的8個處理單元同時運行時，芯片的最大處理能力可以達到2 400 MIPS(每秒百萬條指令)。此外，TMS320C6711B還有32 b的EMIF總線，有4個空間，每個空間均可與SDRAM，SBSRAM和異步外設實現(xiàn)無縫接口。
2．2 DSP外圍電路設計
    系統(tǒng)的外圍電路由復位電路、時鐘電路、電源電路、內(nèi)存擴展電路等幾個部分組成，其外圍電路組成框圖如圖2所示。

    DSP的復位電路一般由電源芯片提供，TI公司的大多數(shù)電源芯片都提供復位信號到DSP。使用電源芯片提供復位信號可以省去專門的復位電路。此外，也可以在電源芯片相應引腳上連接復位按鍵，提供手動復位功能。電源芯片復位信號可以自動監(jiān)測電源的電壓情況。本系統(tǒng)設計中采用電源芯片復位電路。
    由于TMS820C6711B內(nèi)核可以運行到150 MHz，而外設最高只能運行在100 MHz，故TMS320C6711B的外部時鐘由系統(tǒng)產(chǎn)生從ECLKIN引腳引入，ECLK0UT輸出，而不采用自身的150 MHz兩分頻的ECLKOUT2輸出，從而提高外部存儲器的存取效率。系統(tǒng)電源由外部變壓器提供，變壓器輸出+5 V，經(jīng)過電源調(diào)整芯片產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的兩種電壓+3．3 V和+1．8 V。電路采用PT6932(Plug-in Power Modules)方案，PT6932提供雙電源輸出(3．3 V和1．22／1．5 V)，其輸出電壓可以由輸出匹配電阻調(diào)整，1．5 v可以升至1．8 V，同時其雙電壓的上電和掉電順序內(nèi)部受控，可以滿足TMS320C6711B的供電順序要求。
    內(nèi)存擴展采用2片外圍數(shù)據(jù)存儲器和1片128K×8 b的FLASH，其中數(shù)字存儲芯片選用由兩片4M×16 b寬度SDRAM組成單CE空間32 b寬SDRAM類型，F(xiàn)LASH芯片則選用MBM29LV800TA。
2．3 A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換采用高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7707，由于其外部模擬輸入信號的電壓范圍為±5 V，所以選擇高電壓模擬輸入通道AIN3作為模擬信號輸入端。AD7707的時鐘信號由外圍有源時鐘芯片提供，數(shù)字信號輸入端DIN直接與DSP串行數(shù)據(jù)輸出端DX相連。其數(shù)字信號輸出端DOUT直接與DSP的串行數(shù)據(jù)輸入端BDR相連。串行時鐘信號SCLK直接與DSP的串行口發(fā)送時鐘信號、串行口接收時鐘信號CLKX相連，如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 系統(tǒng)軟件流程圖
    該系統(tǒng)軟件的設計參考雷達波生命參數(shù)檢測系統(tǒng)軟件設計要求，利用TI的綜合開發(fā)調(diào)試軟件CCS完成軟件的編寫調(diào)試。軟件主要完成非接觸生命信號的采集、分析和處理，最后傳送至液晶顯示器進行顯示。軟件的流程如圖4所示，軟件一開始首先屏蔽所有可屏蔽中斷，然后對DSP進行初始化，包括狀態(tài)寄存器、矢量表以及MeBSP串行口的初始化，并對AD7707進行初始化。然后打開中斷，等待外部中斷。在中斷服務程序中讀取經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理、發(fā)送HPI中斷，讓外部MCU通過HPI接口讀取數(shù)據(jù)，顯示輸出。

3．2 初始化
    初始化是設定系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要步驟，只有正確進行初始化，才能保證芯片的正確運行。系統(tǒng)初始化包括DSP的McBSP初始化和AD7707的初始化兩個部分。
    DSP上電復位以后各寄存器都處于一個預先確定的數(shù)值狀態(tài)。上電時刻，系統(tǒng)上電復位，寄存器復位到初試值。McBSP通過3個16位寄存器SPCRl(串行口接收控制寄存器1)、SPCR2(串行口接收控制寄存器2)、PCR(引腳控制寄存器)來配置。接收和發(fā)送操作的各種參數(shù)通過接收和發(fā)送控制寄存器RCRl(接收控制寄存器1)、RCR2(接收控制寄存器2)、XCRl(發(fā)送控制寄存器1)、XCR2(發(fā)送控制寄存器2)。
    AD7707的初始化主要是完成各寄存器的初始化。包括設定輸入信號通道、信號采樣頻率、采樣增益、輸入時鐘源等。
3．3 數(shù)字信號處理流程
    數(shù)字信號處理分為兩個大的模塊，一路經(jīng)小波變換后對信號做時域處理；另一路根據(jù)回波信號的特征，設計各種數(shù)字信號處理算法，并在軟件程序設置合適的門限值，根據(jù)門限軟件來完成人體有／無、動／靜、數(shù)量等狀態(tài)信息的識別，并做頻域處理。
    對于數(shù)字信號處理部分，先設計一低通濾波器去除高頻干擾信號(截止頻率要高于人體運動的頻率，一般設置為50 Hz)，通過小波變換的小波分解提取出低頻通道的有用信號(呼吸、心跳信號)，而高頻通道分解出來的信號一般是系統(tǒng)噪聲，采用直接置零的方法將其去除，然后再進行小波重構，恢復低頻通道分解的呼吸、心跳信號，并將其在界面上進行實時的時域波形顯示，其時域處理流程如圖5所示。對于人體運動的信號由于其頻率大約在15～35 Hz之間，信號經(jīng)過低通濾波器之后，直接對其進行傅里葉變換，取模；對于人體的呼吸信號，它的頻率一般小于2 Hz，因此對信號使用小波變換處理后，采用較低的采樣頻率，然后進行積累抽樣、FFT、取模；根據(jù)實驗，如果人體處于靜止狀態(tài)，其呼吸路與體動路的信號能量比在1．5～20之間，如果處于運動狀態(tài)，呼吸路與體動路的信號能量比則在O．1～0．6之間，所以選擇γ=1作為判斷人體動靜狀態(tài)的門限閾值，如果兩路信號的能量比值γ>1為靜止或無人狀態(tài)，γ<1為運動狀態(tài)，并實時顯示頻域；如果γ>1，則對信號進行諧波頻率的估計。在X波段，人體呼吸和心跳的多普勒頻率大約在O．2～1 Hz范圍內(nèi)，如果諧波頻率估計值f在O．2～1之間，為有人靜止狀態(tài)，反之為無人狀態(tài)，并實時顯示頻域；在判定為有人之后，進一步用維格納分布和統(tǒng)計模式識別的方法對人體的數(shù)量進行確定，實時顯示頻域和維格納分布。整個過程如圖6所示。

    判斷處理后的結果直接被界面顯示軟件來調(diào)用，進行單路數(shù)據(jù)的頻域或時域的實時顯示，并可以保存、打印數(shù)據(jù)。

4 結語
    該系統(tǒng)采用TI公司最新推出的TMS320C6711B高性能的浮點DSP芯片和AD公司推出的AD770716位A／D轉(zhuǎn)換器設計得到的生命信號分析處理單元，構建集信號采集、信號處理、信號顯示輸出等功能的信號處理系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)原理設計、外圍電路設計、信號處理算法設計、軟件系統(tǒng)設計等工作。結果證明設計原理切實可行，電路功能合理，軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠完成大量復雜的算法，滿足生命信號探測系統(tǒng)智能化、實時化的要求，而且整個處理系統(tǒng)集成度高、體積小，達到了系統(tǒng)便攜化、小型化的設計目的。由于近年來雷達波生命探測系統(tǒng)應用環(huán)境的拓展和軍民領域需求的增加，本探測系統(tǒng)具有很好的應用前景。