采用DSP芯片TMS320的雷達式生命探測儀

　　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(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?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)，γ1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?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(jié)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(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，達到了系統(tǒng)便攜化、小型化的設(shè)計目的。由于近年來雷達波生命探測系統(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。