基于DSP芯片TMS320的雷達(dá)式生命探測儀設(shè)計(jì)

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(dòng)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(dòng)(心跳、呼吸、走動(dòng))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(dòng)/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(dòng)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)后DSP自動(dòng)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(shí)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(gè)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(shí)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(tái)。其主要特點(diǎn)有：片內(nèi)8個(gè)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(gè)指令組成一個(gè)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(shí)分配到8個(gè)處理單元，并由8個(gè)單元同時(shí)運(yùn)行。由于芯片的最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到150 MHz，當(dāng)片內(nèi)的8個(gè)處理單元同時(shí)運(yùn)行時(shí)，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(gè)空間，每個(gè)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(shí)鐘電路、電源電路、內(nèi)存擴(kuò)展電路等幾個(gè)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(dòng)復(fù)位功能。電源芯片復(fù)位信號可以自動(dòng)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(shí)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(chǔ)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(shí)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(chǔ)器和1片128K×8 b的FLASH，其中數(shù)字存儲(chǔ)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(shí)鐘信號由外圍有源時(shí)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(shí)鐘信號SCLK直接與DSP的串行口發(fā)送時(shí)鐘信號、串行口接收時(shí)鐘信號CLKX相連，如圖3所示。