采用DSP芯片TMS320的雷達(dá)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(hào)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(hào)輸入端。AD7707的時(shí)鐘信號(hào)由外圍有源時(shí)鐘芯片提供，數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)SCLK直接與DSP的串行口發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)、串行口接收時(shí)鐘信號(hào)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(hào)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(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(hào)通道、信號(hào)采樣頻率、采樣增益、輸入時(shí)鐘源等。

　　3.3 數(shù)字信號(hào)處理流程

　　數(shù)字信號(hào)處理分為兩個(gè)大的模塊，一路經(jīng)小波變換后對信號(hào)做時(shí)域處理;另一路根據(jù)回波信號(hào)的特征，設(shè)計(jì)各種數(shù)字信號(hào)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(shí)別，并做頻域處理。

　　對于數(shù)字信號(hào)處理部分，先設(shè)計(jì)一低通濾波器去除高頻干擾信號(hào)(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(hào)(呼吸、心跳信號(hào))，而高頻通道分解出來的信號(hào)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(hào)，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(hào)由于其頻率大約在15～35 Hz之間，信號(hào)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(hào)，它的頻率一般小于2 Hz，因此對信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)的能量比值γ>1為靜止或無人狀態(tài)，γ1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(hào)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(shí)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(hào)分析處理單元，構(gòu)建集信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)顯示輸出等功能的信號(hào)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(hào)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(hào)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。