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(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(fù)雜運算,，以減小設(shè)備體積和功耗。從軟件和硬件兩方面入手,，解決實時檢測和操作攜帶方便的問題,。

1 系統(tǒng)設(shè)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(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(jìn)行算法處理時暫存數(shù)據(jù),。



2 硬件電路設(shè)計

2．1 DSP芯片選擇

設(shè)計DSP應(yīng)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(jìn)一步設(shè)計外圍電路,。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)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(fù)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(jié)構(gòu)采用超長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu),，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(shè)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(dá)到150 MHz，當(dāng)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(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個空間,，每個空間均可與SDRAM，SBSRAM和異步外設(shè)實現(xiàn)無縫接口,。

2．2 DSP外圍電路設(shè)計

系統(tǒng)的外圍電路由復(fù)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(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,，提供手動復(fù)位功能。電源芯片復(fù)位信號可以自動監(jiān)測電源的電壓情況,。本系統(tǒng)設(shè)計中采用電源芯片復(fù)位電路,。

由于TMS820C6711B內(nèi)核可以運行到150 MHz,，而外設(shè)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(shè)計

3．1 系統(tǒng)軟件流程圖

該系統(tǒng)軟件的設(shè)計參考雷達(dá)波生命參數(shù)檢測系統(tǒng)軟件設(shè)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(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,。



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(fù)位以后各寄存器都處于一個預(yù)先確定的數(shù)值狀態(tài)。上電時刻,，系統(tǒng)上電復(fù)位,，寄存器復(fù)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(shè)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(shè)計各種數(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／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(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(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)實驗,，如果人體處于靜止?fàn)顟B(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(jìn)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?fàn)顟B(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(jìn)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(jìn)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(jié)果直接被界面顯示軟件來調(diào)用,，進(jìn)行單路數(shù)據(jù)的頻域或時域的實時顯示，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DSP芯片和AD公司推出的AD770716位A／D轉(zhuǎn)換器設(shè)計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,、外圍電路設(shè)計,、信號處理算法設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計等工作,。結(jié)果證明設(shè)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(fù)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(dá)到了系統(tǒng)便攜化,、小型化的設(shè)計目的,。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,。