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(yùn)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(shí)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(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,上電啟動后DSP自動從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(yùn)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(yùn)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(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、時鐘電路、電源電路、內(nèi)存擴(kuò)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(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(kuò)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(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。
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(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/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)時的時域波形顯示,其時域處理流程如圖5所示。對于人體運(yùn)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(shí)驗(yàn),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(yùn)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(yùn)動狀態(tài),并實(shí)時顯示頻域;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(shí)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(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(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。
STM32/STM8
意法半導(dǎo)體/ST/STM
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