用于雷達(dá)式生命探測儀的信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
    雷達(dá)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(dòng)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(dāng)電磁波照射到人體后，其回波信號被人體運(yùn)動(dòng)(心跳、呼吸、走動(dòng))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(dòng)／靜、數(shù)量等狀態(tài)信息。雷達(dá)式生命探測儀應(yīng)用廣泛，特別是近年來由于世界各地大型自然災(zāi)害的頻發(fā)和恐怖犯罪活動(dòng)的猖獗，更使雷達(dá)式生命探測儀日益受到重視。而由于生命探測儀的應(yīng)用環(huán)境復(fù)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(shí)時(shí)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(qiáng)大的高速浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320C6711B來完成大量復(fù)雜運(yùn)算，以減小設(shè)備體積和功耗。從軟件和硬件兩方面入手，解決實(shí)時(shí)檢測和操作攜帶方便的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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(yù)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(shí)時(shí)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(jī)交互功能。DSP外擴(kuò)的FLASH完成boot loader，上電啟動(dòng)后DSP自動(dòng)從FLASH中加載程序到DSP內(nèi)部RAM中運(yùn)行，外擴(kuò)的SDRAM用于DSP進(jìn)行算法處理時(shí)暫存數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 DSP芯片選擇
    設(shè)計(jì)DSP應(yīng)用系統(tǒng)，選擇DSP是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，只有選擇好了DSP才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)外圍電路。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所提出的硬件電路集成度高、體積小、功耗低和實(shí)時(shí)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(fù)雜算法的需要，選用Tl公司新型C6000系列高性能浮點(diǎn)DSPTMS320C6711B作為系統(tǒng)的信號處理開發(fā)平臺。其主要特點(diǎn)有：片內(nèi)8個(gè)并行的處理單元，可分為相同的兩組。它的體系結(jié)構(gòu)采用超長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，單指令字長為32b，8個(gè)指令組成一個(gè)指令包，總字長為8×32=256 b。芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的指令分配模塊，可以將256 b的指令包同時(shí)分配到8個(gè)處理單元，并由8個(gè)單元同時(shí)運(yùn)行。由于芯片的最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到150 MHz，當(dāng)片內(nèi)的8個(gè)處理單元同時(shí)運(yùn)行時(shí)，芯片的最大處理能力可以達(dá)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(gè)空間，每個(gè)空間均可與SDRAM，SBSRAM和異步外設(shè)實(shí)現(xiàn)無縫接口。
2．2 DSP外圍電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的外圍電路由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源電路、內(nèi)存擴(kuò)展電路等幾個(gè)部分組成，其外圍電路組成框圖如圖2所示。

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    DSP的復(fù)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(fù)位信號到DSP。使用電源芯片提供復(fù)位信號可以省去專門的復(fù)位電路。此外，也可以在電源芯片相應(yīng)引腳上連接復(fù)位按鍵，提供手動(dòng)復(fù)位功能。電源芯片復(fù)位信號可以自動(dòng)監(jiān)測電源的電壓情況。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用電源芯片復(fù)位電路。
    由于TMS820C6711B內(nèi)核可以運(yùn)行到150 MHz，而外設(shè)最高只能運(yùn)行在100 MHz，故TMS320C6711B的外部時(shí)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(chǔ)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(shí)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(kuò)展采用2片外圍數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和1片128K×8 b的FLASH，其中數(shù)字存儲(chǔ)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(shí)鐘信號由外圍有源時(shí)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(shí)鐘信號SCLK直接與DSP的串行口發(fā)送時(shí)鐘信號、串行口接收時(shí)鐘信號CLKX相連，如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)軟件流程圖
    該系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)參考雷達(dá)波生命參數(shù)檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行初始化。然后打開中斷，等待外部中斷。在中斷服務(wù)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(jìn)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。

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3．2 初始化
    初始化是設(shè)定系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要步驟，只有正確進(jìn)行初始化，才能保證芯片的正確運(yùn)行。系統(tǒng)初始化包括DSP的McBSP初始化和AD7707的初始化兩個(gè)部分。
    DSP上電復(fù)位以后各寄存器都處于一個(gè)預(yù)先確定的數(shù)值狀態(tài)。上電時(shí)刻，系統(tǒng)上電復(fù)位，寄存器復(fù)位到初試值。McBSP通過3個(gè)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(shè)定輸入信號通道、信號采樣頻率、采樣增益、輸入時(shí)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(gè)大的模塊，一路經(jīng)小波變換后對信號做時(shí)域處理；另一路根據(jù)回波信號的特征，設(shè)計(jì)各種數(shù)字信號處理算法，并在軟件程序設(shè)置合適的門限值，根據(jù)門限軟件來完成人體有／無、動(dòng)／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(shè)計(jì)一低通濾波器去除高頻干擾信號(截止頻率要高于人體運(yùn)動(dòng)的頻率，一般設(shè)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(jìn)行小波重構(gòu)，恢復(fù)低頻通道分解的呼吸、心跳信號，并將其在界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)域波形顯示，其時(shí)域處理流程如圖5所示。對于人體運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(jìn)行積累抽樣、FFT、取模；根據(jù)實(shí)驗(yàn)，如果人體處于靜止?fàn)顟B(tài)，其呼吸路與體動(dòng)路的信號能量比在1．5～20之間，如果處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，呼吸路與體動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示頻域；如果γ>1，則對信號進(jìn)行諧波頻率的估計(jì)。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(jì)值f在O．2～1之間，為有人靜止?fàn)顟B(tài)，反之為無人狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示頻域；在判定為有人之后，進(jìn)一步用維格納分布和統(tǒng)計(jì)模式識別的方法對人體的數(shù)量進(jìn)行確定，實(shí)時(shí)顯示頻域和維格納分布。整個(gè)過程如圖6所示。

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

4 結(jié)語
    該系統(tǒng)采用TI公司最新推出的TMS320C6711B高性能的浮點(diǎn)DSP芯片和AD公司推出的AD770716位A／D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)得到的生命信號分析處理單元，構(gòu)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(shè)計(jì)、外圍電路設(shè)計(jì)、信號處理算法設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工作。結(jié)果證明設(shè)計(jì)原理切實(shí)可行，電路功能合理，軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠完成大量復(fù)雜的算法，滿足生命信號探測系統(tǒng)智能化、實(shí)時(shí)化的要求，而且整個(gè)處理系統(tǒng)集成度高、體積小，達(dá)到了系統(tǒng)便攜化、小型化的設(shè)計(jì)目的。由于近年來雷達(dá)波生命探測系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的拓展和軍民領(lǐng)域需求的增加，本探測系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。