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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。其基本原理是：首先發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)所調制而產生多普勒頻率，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，最終判別出人體有/無、動/靜、數量等狀態信息。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 系統設計方案 信號處理系統分為模擬信號處理系統和數字信號處理系統兩個子系統。系統的主體是由DSP芯片和A/D轉換芯片組成，如圖1所示。其中A/D主要完成模擬信號到數字信號的轉換，DSP芯片則用于完成數字信號的分析、處理以及控制。系統中的前端預處理部分主要完成對I/Q信號的調制解調、A/D轉換、部分實時數字信號處理、處理后數據的傳輸，以及接收和處理后端發來的命令(包括信號放大倍數、A/D的采樣率、數字信號處理過程中參數的選擇等)。系統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內部RAM中運行，外擴的SDRAM用于DSP進行算法處理時暫存數據。 2 硬件電路設計 2.1 DSP芯片選擇 設計DSP應用系統，選擇DSP是非常重要的一個環節，只有選擇好了DSP才能進一步設計外圍電路。根據本系統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作為系統的信號處理開發平臺。其主要特點有：片內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和異步外設實現無縫接口。 2.2 DSP外圍電路設計 系統的外圍電路由復位電路、時鐘電路、電源電路、內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測電源的電壓情況。本系統設計中采用電源芯片復位電路。 由于TMS820C6711B內核可以運行到150 MHz，而外設最高只能運行在100 MHz，故TMS320C6711B的外部時鐘由系統產生從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。系統電源由外部變壓器提供，變壓器輸出+5 V，經過電源調整芯片產生系統所需要的兩種電壓+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部受控，可以滿足TMS320C6711B的供電順序要求。 內存擴展采用2片外圍數據存儲器和1片128K×8 b的FLASH，其中數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，FLASH芯片則選用MBM29LV800TA。 2.3 A/D轉換電路 A/D轉換采用高分辨率的模數轉換芯片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，數字信號輸入端DIN直接與DSP串行數據輸出端DX相連。其數字信號輸出端DOUT直接與DSP的串行數據輸入端BDR相連。串行時鐘信號SCLK直接與DSP的串行口發送時鐘信號、串行口接收時鐘信號CLKX相連，如圖3所示。 3 系統軟件設計 3.1 系統軟件流程圖 該系統軟件的設計參考雷達波生命參數檢測系統軟件設計要求，利用TI的綜合開發調試軟件CCS完成軟件的編寫調試。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過數模轉換后的數據，并對數據進行處理、發送HPI中斷，讓外部MCU通過HPI接口讀取數據，顯示輸出。 3.2 初始化 初始化是設定系統工作狀態的重要步驟，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值狀態。上電時刻，系統上電復位，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。接收和發送操作的各種參數通過接收和發送控制寄存器RCRl(接收控制寄存器1)、RCR2(接收控制寄存器2)、XCRl(發送控制寄存器1)、XCR2(發送控制寄存器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 數字信號處理流程 數字信號處理分為兩個大的模塊，一路經小波變換后對信號做時域處理;另一路根據回波信號的特征，設計各種數字信號處理算法，并在軟件程序設置合適的門限值，根據門限軟件來完成人體有/無、動/靜、數量等狀態信息的識別，并做頻域處理。 對于數字信號處理部分，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;根據實驗，如果人體處于靜止狀態，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，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，γ＜1為運動狀態，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，如果諧波頻率估計值f在O.2～1之間，為有人靜止狀態，反之為無人狀態，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計模式識別的方法對人體的數量進行確定，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用，進行單路數據的頻域或時域的實時顯示，并可以保存、打印數據。 4 結語 該系統采用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，完成了系統原理設計、外圍電路設計、信號處理算法設計、軟件系統設計等工作。結果證明設計原理切實可行，電路功能合理，軟件系統運行穩定，能夠完成大量復雜的算法，滿足生命信號探測系統智能化、實時化的要求，而且整個處理系統集成度高、體積小，達到了系統便攜化、小型化的設計目的。由于近年來雷達波生命探測系統應用環境的拓展和軍民領域需求的增加，本探測系統具有很好的應用前景。 |
