（通信与信息系统专业论文）dsp在雷达生命探测系统中的应用研究.pdf

摘要 d s p 在雷达生命探测系统中的应用研究 作者简介：詹鹏，男，1 9 8 2 年3 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大学郭勇教 授，于2 0 0 8 年6 月获硕士学位。 摘要 我国是全球大陆性地震最活跃、灾害损失最严重的国家之一，各类建筑物 倒塌、塌方、泥石流等灾害也频繁发生。为此，利用先进的救援装备，快速搜 寻到幸存者，提高紧急救援能力是减少灾害损失的重要措施，对于保护人民的 生命，构建和谐社会，维护社会稳定等具有重要意义。 本课题研制的雷达生命探测系统主要基于多普勒原理，当雷达波穿透一定 障碍物而碰到人体时，反射的回波信号被人体生命活动( 如呼吸、心跳等) 引起 的微动所调制，使得回波信号的一些参数( 如频率、相位) 发生改变，我们把回 波信号经过适当处理后就能从中提取出人体相关的生命特征信息，从而在不接 触人体的情况下，可得知在废墟、瓦砾、建筑物下是否有活的生命体的存在。 利用雷达波探测生命体的方法，克服了传统的探生设备容易受外界环境限制和 干扰的缺点，抗干扰能力强，适用于发生塌方、雪崩、地震等灾害后对受伤人 员的及时搜救，同时也可用于心理测评及反恐等领域。 该生命探测系统包括雷达天线、现场探测装置和远端测控p d a 三部分。现 场探测装置包括雷达收发模块和基于d s p 的前端预处理系统。前端预处理系统 以t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 为核心，负责对解调后信号的实时采集和处理，远端测控p d a 部分为搜救人员使用的手持式主机，p d a 通过r s 2 3 2 接口从现场探测装置获取 数据，同时也能对现场探测装置进行控制。 前端预处理系统依靠d s p 强大的实时数字信号处理和运算能力，高效、实 时地完成对信号的采集和实时处理。完成了对低频信号采集和处理的软硬件设 计，达到了预期的指标和要求。该系统集成度高、体积小、重量轻、易携带， 具有良好的应用前景和实用价值。 关键词：生命探测d s pf i r 滤波数据采集雷达 成都理工大学硕士学位论文 t h e a p p l i e d r e s e a r c ho fd s pi nr a d a rl i f e d e t e c t i o ns y s t e m i n 俩d u c t i o no fa u t 】1 0 r ：办a i l p e i l 舀m a l e ，b o mi nm 锄ho f19 8 2 ，w 鹊黟a i l t e d 廿 m a s t e r 董的mc h e n g 正) u 吼i v e r s i t yo f t e d m o l o g yw h o s e t u t o rw 嬲p r o f e s s o rg u o y o n g a b s t r a c t c h i n ai so n eo fm em o s ta c t i v ee a r t h q ua ：k ea n dd i s a s t e rl o s s e s 硼e ai nt h ew o d d ， m a n yt ) ，p e s o fb u i l d i n g sc o l l 印s e d ，l a n d s l i d e s ，m u d s l i d e sa i l do m e rd i s a s t e r sh a v e o c c l 】r r e d 行e q u e n t l y s o ，t h eu s eo fa d v a n c e dr e s c l l ee q u i p m e n t ，r a p i ds e 踟j c ht o s u r v i v o r s ，锄e r 2 e n c yr e s c u ec a p a b i l i t i e s ，i m p r o v ed i s a s t e rr e d u c t i o ni sa ni m p o r t a l l t m e a s u r ef i o rl o s s ，f b rt h ep r o t e c t i o no fp e o p l e s1 i v e sa n db u i l daha m l o n i o u ss o c i 地 a n ds a f e g u a r d i n gs o c i a ls t a b i l i t yh a s 固e a ts i 擘皿i f i c a n c e t h es u b j e c td e v e l o p e dr a d a rd e t e c t i o ns v s t e mi sm a i l l l vb a s e do nm e1 i f e p r i n c i p l eo fd o p p l e r w h e nr a d a rw a v ep e n e t r a t e ds o m eo b s t a c l e sa n de n c o u n t e r e d m eb o d y ，s i 印a 1w a sm o d u l a t e db yh u m a l ll i f ea c t i v i t i e s ( s u c ha sb r e a t h i n g ，h e a r t b e a t ， e t c ) ，s o m ep a r 锄e t e r s ( s u c ha s 丘e q u e n c y ，p h a s e ) o ft h es i g n a lc h a n g e d w bc a l l e x 仃a c tl i f er e l e v a n tc 】1 a r a c t e r i s t i c si n f o n n a t i o n 丘o mt h ee c h os i 鼬a la f t e rp r o p e r l y d i s d o s e t h l 】s ，w ek n o ww h e t l l e rl i f ei se x i s t e n c eu n d e rm i n s ，n l b b l e ，b u i l d i n g s w i t h o u tt o u c ht h eb o d y t h i sa p p r o a c i ho v e r c o m es h o r t c o m i n 2o ft h et r a d i t i o n a l1 i f e d e t e c t i o ne q u i p m e n t sw h i c hi s 1 1 1 e r a b l et oo u t s i d ei n t e 】缸e n c e i tc a nb ea p p l et o r e s c u ei n i u r e dp e r s o nt i m e l ya r e rc o u a _ p s e ，a v a l a n c h e ，e a 础q u a k e sa n do t h e r d i s a s t e r s ，a sw e l la sp s v c h o l o g i c a le v a l u a t i o na n da n t i t e r r o r i s ma r e a sa n ds oo n t h el i f ed e t e c t i o ns v s t e mc o n t a i n st 1 1 r e ep a r t s ，w l l i c hi sr a d a r 锄t e n n a ，o n s i t e d e t e c t i o nd e v i c ea n dr e i i l o t em o n i t o ra n dc o n t r d lp d a t h eo n s i t ed e t e c t i o nd e v i c e s c o n t a i n st r a l l s c e i v e rm o d u l ea 1 1 dd s p - b a s e dp r e 打e a t n l e i l ts y s t e m ，t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a i st h ec o r eo fp r e t r e a 衄e n ts y s t e r n ，i tt a k ed l a l 苫eo fr e a l - t i m es i g n a ls 锄p l ea 1 1 d p r o c e s s i n ga r e rd 锄o d u l a t i o n r e l n o t em o l l i t o ra n dc o n t r o lp d ai st h eh a l l d s e tf o r t 1 1 er e s c u es t a 正p d ac a na c c e s sd a t af 如mt h eo n s i t ed e t e c t i o nd e v i c et 1 1 i o u g ht h e r s 2 3 2i n t 耐a c e a i l da l s oc a i lc o n t r o l 廿1 eo n s i t ed e t e c t i o nd e v i c e p r e t l e a t i i l e l l ts y s t e mc o m p l e t e sr e a l - t i m ed a t as a i l l p l ea n dp r o c e s s i n ge m c i e n t l y d 印e i l do nt h ep o w e r 凡l r e a l 一t i m ed i 百t a ls i 印a lp r o c e g s i n ga 1 1 dc o m p u t i n go f t h ed s p c o m p l e t e dt h eh a r d w a r ea i l ds o r w a r ed e s i 2 no fm e1 0 w 丘e q u e n c vd a t as a m p l ea 1 1 d p r o c e s s i n gs y s t e m ，a n da d l i e v e dt h ee x p e c t e dt a r g e ta n dr e q u i r e m e n t t h es y s t 锄 w h i c hh a sm em 舒to fh i 曲i n t e 孕a t i o n ，s m a l lv o l u m e ，1 i 曲tw e i 曲ta n de a s yt oc a l l r y ， h a sag o o dp r o s p e c ta n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：l i f ed e t e c t i o n 、d s p 、f i rf i l t e r 、d a t aa c q u i s i t i o n r a d a r l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 躲座鹕 加占年m 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 篡嚣淼轹矿：咖 第一章前言 第一章前言 1 1 课题研究意义 地震是危害极大的自然灾害，具有突发性、灾难性和不可避免性的特点， 随着城市化进程逐步加快，地震灾害的潜在危险与日俱增，一旦发生破坏性地 震，往往造成房倒屋塌，给抢救被压埋人员带来很大难度，将造成人民生命财 产的巨大损失。如何最大限度地减轻地震灾害造成的损失，是我国防震减灾工 作的重要任务，其中抢救被压、埋人员，有效地减少人员伤亡是减轻灾害损失 的首要任务，大地震在地震废墟现场对被压埋人员的搜索和准确定位是现场救 援工作的一个严重瓶颈，也是最能体现出减灾实效和社会显示度的关键环节。 可以说没有救不出来的幸存者，但因为不能找到幸存者而失去了营救的机会。 为了对被困人员实施高效有序的救援，除了要确保紧急救援队伍反应迅速、 机动性高和突击性强之外，同样重要的是要配备必要的高新技术救助设备。随 着社会经济的发展，利用新技术新装备减少各类灾害造成的人员伤亡已成为各 国政府非常重视的工作之一，我国是全球大陆性地震最活跃、灾害损失最严重 的国家之一，各类建筑物倒塌、塌方、泥石流等灾害也频繁发生。我国也是能 源大国，各种矿场数量多，因此，矿场灾害尤为明显。先进的救助技术与装备 是提高救助成功率，最大限度减轻人员伤亡的技术保障，提高紧急救援能力是 减少灾害损失的重要措施。在建筑物倒塌、火灾、地震、塌方等灾难现场，探 测搜寻幸存者是目前抢险救灾的首要环节。利用新技术新装备，快速搜寻到幸 存者，这对保护人民的生命，构建和谐社会、体现以人为本，维护社会稳定等 具有重要意义。 具有先进的灾害应急救助技术与装备是救灾取得成效的关键，国家应尽快 研究开发系列化、现代化高新救助技术和工具，才能适应当今灾害现场救援工 作的需要。 1 2 国内外现状 生命探测装备的研制开发工作已引起许多国家的关注，一些发达国家通过 立法或采取其他措施将其落到实处。如美国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯和日 本等国家，一方面建立了国家资助研究和储备的制度，另一方面，利用先进的 微电子、微光、热红外阵列成像等高新技术，在2 0 世纪9 0 年代前后，研制开 发了生命搜索与定位技术设备，并在震后救灾中取得了一定的成效。如1 9 8 5 年 墨西哥大地震时，美国、瑞士等救援队就利用生命搜索与定位设备发现并营救 了不少被压埋人员；英国电子管有限公司生产的便携式热红外成像仪，在墨西 成都理工大学硕士学位论文 哥、萨尔瓦多、亚美尼亚地震中，发现了许多被困人员，并正在研究一种适用 在碎石、瓦砾中探生的热成像仪；法国利用测声定位技术生产一种振动耳机， 英国救援人员用它在墨西哥、亚美尼亚、伊朗和菲律宾地震时进行救援探测工 作；日本利用光学目视探测定位技术开发了一种光纤内窥镜，在墨西哥地震时， 曾用它在瓦砾堆下发现一对幸存夫妇而使其得救；美国加州爱尔文搜索救援中 心利用无线电测向定位技术研制开发了电子微波跟踪系统；德国发明了一种用 于感测活人体的方法和装置，用它可以检测被压埋于瓦砾堆3 4 米下的活人； 美国费尔法克斯救援队使用超宽带( u l t r aw i d eb a n d ) 技术研制的生命搜索与 定位设备发现了埋压在3 5 米深废墟下的幸存者。 国外先进的生命搜索与定位技术，已在震后救灾中取得了极大的成功。这 方面工作，有许多国家政府是通过立法或采取其它措施将其落到实处的。如美 国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯和日本等国家，一方面建立了国家资助研究和 储备的制度，另一方面，利用先进的微电子、微光、热红外阵列成像、仿生等 高新技术研制开发了生命搜寻和定位技术和设备，并在墨西哥、亚美尼亚、伊 朗、菲律宾、土耳其，以及最近的印度和阿尔及利亚的震后救灾工作中发挥了 重要的作用，救出了许多幸存者。 国外对搜索救援支持系统方面的研究工作开始较早，把怎样搜寻迷路、失 踪、隐匿、压埋、逃逸目标的理论列为正式的科学研究课题已经有五十多年了。 b o k o o p m a n 在二战期间效力于美国海军时，就建立起了搜索理论的一般原理。 近年来，搜索救援工作得到世界范围内的广泛重视，国外一些公司因此开发出 了一些商业软件，其中比较有代表性的如美国艾森舍尔技术公司( e s s e n t i a l t e c h n o l o g i e s ，i n c ) 开发的e i s g e m 紧急事务管理软件。 目前各国主要采用的搜救装备，如：声波振动和光学生命探测仪等远远满 足不了地震救援现场搜索定位的实际需求，声波振动探生仪主要用于捕捉被困 人员在废墟下发出的敲击、移动、呼喊等求救信号，它受当地救援环境的低频 干扰的影响比较大。而光学生命探测仪的应用也受到当地环境的限制。地震废 墟被压埋人员的搜救工作，仍旧主要通过嗅觉功能灵敏并经过专业的条件反射 训练的搜索犬来完成。但搜索犬易受环境温度、湿度、犬的健康状况、嗅源作 用时间的影响，同时，也存在搜索犬的优良品种少、训练时间较长，使用时间 短，训犬人员的能力、训练方法直接决定使用效果、准确性等问题。 超宽带是电磁学的一个前沿分支，它的发展主要是受实际需要所推动的结 果。最初，人们是在研究核电磁脉冲对电子设备的破坏作用时，进行了大量的 理论计算和实验工作，建立了一些新的方法，并对一些电磁场的瞬态现象有了 比较深刻的认识。近年来，超宽带电磁学在通信、雷达、遥感、微波定向能传 2 第一章前言 播、电磁探测成像等领域有广泛的应用。随着电磁脉冲探测技术的发展，核电 磁脉冲能源的利用，人们进一步发现超宽带电磁场在遥感，探测和目标识别方 面有着引人注目的应用前景。目前，美国、德国的一些大学、研究所和公司， 在超宽带探测技术方面，投入了较大的人力物力，在超宽带生命探测理论和方 法研究以及设备研发方面取得了一定的进展。 我国科学工作者很早就在进行电磁探测方法的研究，但电磁探测方法主要 问题是探测深度( 或穿透深度) 与分辨率相矛盾，即高频电磁有较高的分辨率， 但衰减快，探测深度较小；低频电磁具有较大的探测深度，但分辨率不高。 总体来说，我国在地震救助和生命搜索定位高新技术与装备的研制和生产 方面还较为落后。自主研制和生产高效的探生搜救设备已是摆在我们面前的一 项紧迫任务。 1 3 课题主要研究内容及其特色 雷达式生命探测是指在不接触人体的情况下利用雷达的回波信号对人体的 呼吸及体动等生命信号进行识别探测，这种非接触式检测技术可用于发生塌方、 地震、雪崩、战争时对受伤人员的及时搜救。同时还可用于心理测评及反恐等 领域啪1 。本课题研究的就是基于雷达的生命探测系统，该系统集成度高、体积 小、重量轻、易携带，具有良好的应用前景。 本课题研究的主要内容包括：雷达信号发射与接收，杂波对消技术，微弱 信号高精度放大、有源滤波设计、d s p 嵌入式应用系统设计、f i r 滤波、f f l 、 实时数字处理算法在d s p 上的实现等。 本课题特色及创新点： 1 采用非接触式雷达探测技术，抗干扰能力强，能探测到废墟下、墙 体后是否有活体的存在。 2 采用d s p 嵌入式处理系统，高效、实时的完成对信号的采集和处理。 3 d s p 嵌入式系统与后端p d a 相连，搜救人员通过后端p d a 控制嵌入 式系统的动作，整机小巧，携带和使用都十分方便。 3 成都理工大学硕士学位论文 第二章生命探测系统介绍 2 1 雷达生命探测原理 雷达英文为r a d a r ，是r a d i od e t e c t i o na n dr a n g i n g 的缩写。雷达仍是当 前用来检测移动物体最普通的方法。所有利用雷达波来检测移动物体速度的原 理，其理论基础皆源自于多普勒效应，此原理是在1 9 世纪一位澳地利物理学家 所发现的物理现像，后来世人为了纪念他的贡献，就以他的名字来为该原理命 名n 引。 多谱勒效应的理论基础为时问，波是由频率及振幅所构成，而电磁波是随 着波而前进的，当电磁波在行进的过程中碰到物体时，该电磁波会被反射，而 且其反射回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。 若无线电波所碰到的物体是固定不动的，那么所反射回来的电磁波其频率是不 会改变的。然而，若物体是朝着电磁波发射的方向前进时，此时所反射回来的 电磁波会被压缩，因此该电磁波的频率将随之增加；反之，若物体是朝着远离 电磁波方向行进时，则反射回来的电磁波的频率会随之减小。 雷达生命探测的基本原理是：通过雷达天线发射的微波穿透一定障碍物， 当连续波雷达发射的微波碰到人体时，根据多谱勒原理，人体反射的回波信号 被人体生命活动( 如呼吸、心跳等) 引起的体表微动所调制，使得这些回波信号 的某些参数( 如频率、相位) 发生改变，我们把回波信号经过适当的数字信号处 理后就能从这些变化中提出相关人体的生命特征信息( 如呼吸、心跳等所引起的 各种微动) ，从而探测到在一些废墟、瓦砾、建筑物下是否有活的生命体的存在。 我们假设待发射的单频连续波雷达信号为： s o ( f ) = 么c o s ( f + )一式( 2 一1 ) 其中么为单频雷达信号的幅度，为雷达波的角频率，为雷达波的初相。 该信号经过环形器送入雷达天线发射出去，雷达波遇到人体或者是障碍物时就 会发生反射，回波信号是包含了人体生理特征的信号。回波信号中也包括被固 定物体反射回的衰减后的同频信号。雷达回波信号被雷达天线接收，含有人体 生理特征的那部分雷达回波信号为： s ，( f ) = 石“c o s ( 国o f + 缈d f + 妒)一式( 2 2 ) 其中k 为衰减因子。钆为多普勒频移，缈为相对于雷达发射信号的相差。 根据多普勒频移： 钆= 2 c一式( 2 3 ) 上式中的矿为目标的径向运动速度，c 为光速，我们将回波信号经混频、 滤波后可得： 4 第二章生命探测系统介绍 & ( f ) = u + c c o s ( f + 妒)一式( 2 4 ) 上式中的u 为固定目标产生的直流分量，去掉直流分量后就可得到 c c o s ( f + 缈) ，该分量中包含了呼吸、心跳等人体生命特征，也就是我们要对 其进行检测和分析的有用信息乜5 | 。 2 2 生命探测系统总体设计 本课题研制的生命探测系统的总体设计框图如图2 1 所示，该系统主要由 雷达天线、现场探测装置和远端测控p d a 三部分组成。现场探测装置包括射频 收发模块和基于d s p 的前端预处理嵌入式系统组成。远端测控p d a 部分为搜救 人员使用的手持式p d a ，现场探测装置与远端p d a 通过r s 2 3 2 接口进行通信。 图2 1 雷达生命探测系统总体设计框图 该系统的基本工作原理是：收发模块向天线馈送1 7 2 8 g h z 连续波信号，经 过功率放大后由天线定向辐射出去，当遇到动目标后，回波信号( 含人体体征 信息) 又经同一天线进入接收机，回波信号在收发模块中经过杂波对消、混频、 滤波、放大、解调等处理后得到模拟的i q 信号，该信号包含了人体生命特征。 然后将该工q 信号送入前端预处理系统，在前端预处理系统中将i q 信号放大、 滤波、再经a d 转换后送d s p 进行数字预处理，在d s p 中对信号进行实时滤波、 分析等处理，最后，将处理过的数据通过r s 2 3 2 接口送到远端p d a 对预处理后 的信号作进一步的分析和特征提取，并显示生命特征检测的结果。搜救人员可 以通过p d a 对现场探测装置中的各个单元进行控制，命令由r s 2 3 2 接口发送到 d s p ，d s p 解析命令后去完成相应的操作：如放大倍数的调节、采样率的调节、 f i r 滤波参数选择等。现场探测装置采用轻便的大容量锂聚合物充电电池供电， 整机体积小、重量轻、携带十分方便。 2 3 收发模块设计 雷达信号收发模块是决定该探生设备性能的重要部件，该部分设计为发射、 爪p 成都理工大学硕士学位论文 接收一体化的模块结构，由发射电路和接收电路两部分组成，收发模块工作原 理框图如图2 2 所示。 图2 2 收发模块工作原理图 收发模块主要包括晶振频率源、频率合成、功率放大、环行器、放大器、 混频器、滤波器、杂波对消调节电路、解调电路等组成。频率源为1 0 0 姗z 高信 噪晶体振荡器，经频率合成后产生1 6 倍频的1 6 0 0 删z 本振信号( 用于接收端作 本振使用) 和1 8 倍频的1 8 0 0 m h z 的载波发射信号。1 8 0 0 心z 的发射信号经功率 放大后由环行器发射出去，发射功率大于2 7 d b 。环行器中接收到的信号包括从 物体反射回来的的回波信号，它们通过合路器与发射端耦合的幅度和相位都经 过调整的信号进行叠加对消。 由于固定物体( 如墙体等) 对雷达波的强反射，使雷达天线接收到很强的 回波信号，这个回波信号的频率与发射频率相同，这种由于固定物体产生的强 杂波往往幅值比较大，这样会使我们所需要的幅值比较小的生命特征信号淹没 在杂波之中，还可能使后级电路饱和溢出，为了提高系统的探测精度，我们需 要把这部分由于固定物体反射产生的强杂波消除掉。 杂波对消的原理是：幅度相同而相位相反的同频信号相叠加后会相互抵消， 通过对消后在很大程度上抵消了由固定障碍物反射回来的强杂波干扰，增强了 隔离度以及探测的灵敏度。杂波对消电路采用闭环控制的方式实现，我们可以 检测经合路后信号幅度的强弱，从而间接的获知是否达到了最好的对消效果， 检测到的幅度信号经a d 转换后送入单片机系统，在单片机中通过搜索算法， 选择如何调节送去和回波对消的信号的幅度和相位，单片机送出的数字电压值 经过d a 转换后去驱动电调移相器和电调放大器，从而调节送去对消的信号的 6 第二章生命探测系统介绍 幅度和相位，以到达最好的杂波对消效果。 经过杂波对消后的信号经低噪放大和滤波后，与1 6 0 0 z 的本振信号混频 为中频信号，然后经低通滤波器进入中频放大电路，最后进入解调器进行二次 混频，解调出低频的i q 信号，该i q 信号就包含了人体生命特征信息。收发模 块主要设计技术指标如下： 频率：1 7 2 8 g h z _ 接收带宽：1 k h z _ 接收灵敏度：一6 0 d b m 一接收动态范围：6 0 d b m 一噪声系数：6 d b 功放输出功率：5 0 0 m w 一频率源相噪：一1 0 0 d b c h z 1 k h z 移相器控制方式：模拟电压控制，电压范围o 一2 4 v _ 电调放大器控制方式：模拟电压控制，电压范围0 5 v 一射频输出峰值：l v 电源：1 2 v ，+ 5 v 7 成都理工大学硕士学位论文 第三章d s p 预处理系统硬件设计 3 1 前端预处理系统总体介绍 前端预处理系统完成对i q 信号的调理、a d 转换、部分实时数字信号处理、 处理后数据的传输，以及接收和处理后端发来的命令( 包括放大倍数、a d 的采 样率、数字信号处理参数的选择等) 。预处理系统框图如图3 1 所示。 输入的低频微弱信号经过前置放大、低通滤波、隔直缓冲和差分后送入a d 中进行a d 转换，转换后的数据送入d s p 中，在d s p 中对采集到的数据进行实时 处理，处理后的数据通过r s 2 3 2 接口送入后端p d a ，后端p d a 再对数据进行进 一步的处理及其结果显示，后端p d a 可以通过r s 2 3 2 接口发送命令给d s p ，通 过d s p 实现对a d 采样频率、p g a 放大倍数的调节、以及对d s p 中数字信号处理 算法的选择等。d s p 外扩的f l a s h 用于b o o t l o a d e r ，上电启动后d s p 自动从f l a s h 中加载程序到d s p 内部r a m 中运行，外扩的s d r a m 用于d s p 进行算法处理时暂 存数据u6 。 信 图3 1 前端预处理系统框图 3 2 模拟信号预处理部分 3 2 1 概述 前端模拟部分设计框图如图3 2 所示，射频部分解调后的低频微弱信号送入 i c l 7 6 5 0 中进行预放大，然后送入8 阶巴特沃斯低通滤波器m a x 2 9 1 ，滤出信 号中的高频成分，滤波后的信号经o p 0 7 隔直缓冲后送入a d 8 1 3 8 将信号转换 成差分信号。再到a d 7 7 0 5 中经a d 转换后送入d s p 进行数字处理，a d 7 7 0 5 8 第三章d s p 预处理系统硬件设计 中带有程控放大器( p g a ) ，可以通过编程来实现对放大倍数的控制，还可以通 过对a d 7 7 0 5 中寄存器的配置实现对采样速率的控制。图3 3 是模拟部分的实 物图。 信号输入 鬻 戮 闺 图3 2 模拟前端设计框图 图3 3 模拟部分实物图 3 2 2 低频前端放大 低频微弱信号的前端放大部分我们选择斩波稳零运算放大器i c l 7 6 5 0 。 i c l 7 6 5 0 利用动态校零技术和c m o s 工艺制作的斩波稳零式高精度运放，它具有 输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能 稳定及价格低廉等优点。 图3 。4 是i c l 7 6 5 0 最常采用的1 4 脚双列直插式封装的引脚排列图。各引脚 的功能说明如下： c 啪n ：外接电容端； c 啪n ：外接电容端： 9 成都理工大学硕士学位论文 一i n p u t ：反相输入端； + i n p u t ：同相输入端； v 一： 负电源端； c r e t n ：c e x t 和c e x t b 的公共端； c l a m p ：箝位端； o u t p u t ：输出端； v + ：正电源端； i n t c l ko u t ：时钟输出端； e x t c l ki n ：时钟输入端； i n t e x t ：时钟控制端，可通过该端选择使用内部时钟或外部时钟。当选择 外部时钟时，该引脚接电源负端( v 一) ，并在时钟输入端( e x t c l k i n ) 引入外 部时钟信号。当该端开路或接v + 时，电路将使用内部时钟去控制其它电路的 工作】。 e 双猎 b d 泓 n e 。u a 釉 。l n p u t 霸n p 臼t n ，e 籀u 煳 v _ 图3 4i c l 7 6 5 0 引脚排列图 l n 聊 e 7 c 噬斟 i n j 翟己o l j t 纷 o l l t p 岍 c l 茂m p b 匪馕 由i c l 7 6 5 0 构成的前端放大电路如图3 5 所示，信号经隔直电容c 1 2 和两 个限幅二极管d 1 、d 2 后被i c l 7 6 5 0 组成的反向放大器放大，调节r 1 9 的阻值可 以改变放大倍数。为了尽可能的降低电源带来的噪声，运算放大器i c l 7 6 5 0 的 电源部分都加了电感和去耦电容。不用的3 和7 引脚我们都把它直接连到电源 地。 1 0 第三章d s p 预处理系统硬件设计 图3 5i c l 7 6 5 0 前端放大电路 3 2 3 低通滤波部分 最常用的模拟低通滤波器有巴特沃斯低通滤波器、切比雪夫低通滤波器和 椭圆滤波器3 种，其中，巴特沃斯滤波器的通带平坦，相位特性最好，所以滤 波部分我们选择的8 阶巴特沃斯低通滤波器m a x 2 9 1 。 m a x 2 9 1 是m a x i m 公司生产的8 八阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器， 它的3d b 截止频率可以在o 1 h z 2 5 k h z 之间选择。开关电容滤波器需要靠一 个时钟来驱动电路工作，该时钟的频率应为3d b 截止频率的1 0 0 倍，可以采用 外时钟或者内时钟2 种方式。如果直接利用m a x 2 9 1 的内部时钟振荡器，只需外 接一个电容就可以，电容值和3d b 截止频率满足下面的公式口1 ： 1n 5 缸( 舰卜尚 式 。1 其中( 眺) 为时钟频率，c ( 氍为外加的电容的值。本系统中用m a x 2 9 1 组成的滤波电路如图3 6 所示，我们选用的内时钟方式，其电路图如下所示， 信号从8 脚输入，滤波后的信号从5 脚输出，滤波截止频率的选择由外部电容 c 3 0 的大小来决定。 成都理工大学硕士学位论文 5 v u 8+ 5 v 1 彩e 鬈酸荔荔缓震懑麟 8i n 27 3 蓊翳彩缓缓 6 i 钫虢_ t 啜鼹攀稻签国曦 45o u t l 鬈婢t 攀鞔0 | ! ，s 葺蛰蕊强 1 一 搿节二簪钟j 势l 雾簧鬈藩缀舞熬 图3 6m a ) ( 2 9 1 l 氐通滤波电路 m a x 2 9 1 的零点漂移较大，典型值为1 5 0m v ，最大可以达到4 0 0m v ，这是一 个直流成分，我们可以在后续的隔直缓冲电路中把漂移消除掉。由于开关电容 滤波器本身的特点，将连续波截断成以开关频率为采样间隔的近似连续波，所 以会带来一些频谱失真，但失真是比较小的，最大一7 0 d b ，m a x 2 9 1 对工业现场 的电磁兼容性不强，易受干扰，我们采取了一些屏蔽措施来减小外界干扰。虽 然m a x 2 9 1 有它的一些缺点，但与传统的有源r c 滤波器相比，选用m a x 2 9 l 实现 抗混叠滤波器有巨大的优势： ( 1 ) 滤波性能良好，畸变率小。 ( 2 ) m a x 2 91 是集成电子元件，可靠性和稳定性高，避免了使用分立元件所带来 的各种误差、漂移影响。 ( 3 ) 使p c b 设计紧凑，节省空间；电路外接元器件少，装配、调试方便。 3 2 4 信号缓冲隔直部分 m a x 2 9 1 的零点漂移较大，典型值为1 5 0m v ，最大可以达到4 0 0m v ，我们需 要隔离掉直流。我们用运放0 p 0 7 来搭建隔直通交电路。o p 0 7 具有以下特点n 引： ( 1 ) 低的输入噪声电压幅度0 3 5uv p p ( o 1 h z 1 0 h z ) ( 2 ) 极低的输入失调电压一1 0p v ( 3 ) 极低的输入失调电压温漂珈2pv ( 4 ) 具有长期的稳定性一o 2uv m o ( 5 ) 低的输入偏置电流一1 n a ( 6 ) 高的共模抑制比一1 2 6 d b ( 7 ) 宽的共模输入电压范围一1 4 v ( 8 ) 宽的电源电压范围一3 v 2 2 v 用o p 0 7 组成的缓冲隔直电路图如图3 7 所示，c 1 7 和电阻r 1 4 组成高通电 路，0 p 0 7 接成缓冲形式，将通过c 1 7 的交流信号缓冲后送到后级。其中可变电 阻r 8 用来调节0 p 0 7 的直流偏移。 1 2 第三章d s p 预处理系统硬件设计 c 一 图3 7 缓冲隔直电路 3 2 5 差分信号产生 因为a d 转换芯片a d 7 7 0 5 的信号输入我们采用的差分输入方式。故在输入 到a d 之前我们需要将单端信号转换成差分信号，我们采用a d 8 1 3 8 来完成单端 到差分的转换。差分转换电路图如图3 8 所示，信号从r 9 输入，从a d 8 1 3 8 的 4 脚和5 脚输出的信号即是差分信号，2 脚输入2 5 v 的共模基准电压，使差分 输出的直流电压抬高到2 5 v ，也即o u t + 和o u t 一的输出信号都变成以2 5 v 电压 为基准的信号。 r 3 图3 8 差分转换电路 1 3 成都理工大学硕士学位论文 3 2 6a d 转换 a d 转换部分我们采用的是a d 7 7 0 5 ，a d 7 7 0 5 是a d 公司推出的1 6 位一a d 转换器。他包括由缓冲器和增益可编程放大器( p g a ) 组成的前端模拟调节电路、 一调制器及可编程数字滤波器等，能直接对来自传感器的微弱信号进行a d 转换。此外他还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、低功耗及优良的抗噪 声性能，因此非常适用于仪表测量和工业控制等领域 a d 7 7 0 5 的基本特性为：2 个差分信号输入通道；1 6 位无丢失代码；0 0 0 3 的非线性度；p g a 可选择1 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 ，8 种增益；输出数 据更新速率可编程，最大数据更新速率5 0 0 h z ；具有自校准和系统校准功能； s p i 三线串行接口；可缓冲模拟输入；低功耗。其功能框图如图3 9 所示眵捌。 款 魏 v r e fl n r e f 啊t g n d 匹r 酹再彀踞下 图3 9a d 7 7 0 5 功能框图 s c t k 丽 d l n d o u t a d 7 7 0 5 引脚图如图3 1 0 所示，主要引脚功能： s c l k ：s p i 串行接口时钟输入端 m c l ki n ： 芯片工作时钟输入。可以是晶振或外部时钟，其频率范围为5 0 0 k h z 到5 m h z 。 m c l ko u t ：时钟信号输出。当把晶振作为芯片的工作时钟时，晶振必须接在 m c l ki n 和m c l ko u t 之间。如果采用外部时钟，则m c l ko u t 可用 1 4 第三章d s p 预处理系统硬件设计 于输出反相时钟信号，以作为其他芯片的时钟源。该时钟输出可以 通过编程来关闭。 a i n l ( + ) ，a i n l ( 一) ：分别为第1 个差分输入通道的正端与负端。 a i n 2 ( + ) ，a i n 2 ( 一) ：分别为第2 个差分输入通道的正端与负端。 d i n ：s p i 串行数据输入端。 d r d y ：a d 转换标志。 d o u t ：s p i 串行数据输出端。 s c l k - v - 、 m c l kl n m c l ko u t 砖 百丽 a i n 2 l + ) a l n l l + ) a l n l i - ) a d 7 7 0 5 6 lg n d _ _ _ 一 _ 0 1 5 iv d d 1 4 id 州 _ _ 一 0 1 1 3 ld o u t _ _ _ _ _ _ 1 1 2 l 丽y 0 1 1 la l n 2 l - ) 。1 o ir e fl n l - ) l _ 9lr e f l n l + ) 图3 1 0a d 7 7 0 5 弓i 脚扫 列图 a d 7 7 0 5 的硬件连接图如图3 1 l 所示，在m c l ki n 和m c l k 叫t 之间外接一 个2 4 5 7 6 删z 的晶振，差分信号从a d 7 7 0 5 的7 、8 脚输入，9 脚为2 5 v 参考电 平输入端( 该电压由高精度基准电压源a d 7 8 0 提供) ，c s 片选端直接到电源地， d s p 不用专门的引脚来控制a d 7 7 0 5 的c s 片选端。a d 7 7 0 5 的数据采集由d s p 通 过s p i 接口来控制，j p 3 为数字板与模拟板的接口，由于a d 7 7 0 5 的s p i 接口电 平是5 vc m o s 电平，而数字板的d s p 的i o 电平是3 3 v ，故需要一个电平转换， 在这里我们注意到s p i 接口的每一根信号线都是单向传输的，从d s p 传到a d 7 7 0 5 的信号线可以不用处理而直接相连，而从a d 7 7 0 5 传到d s p 的信号需要降低电平， 防止电压过高导致d s p 损坏。在这里我们没有选用专用的电平转换芯片来完成 电平的转换，而是用电阻分压的方式来完成电平的转换，事实证明该方案是可 行的，我们采用该方式连接后d s p 能够与a d 7 7 0 5 正确的通信，这样不但可以节 约成本，而且还使系统更加简洁。 1 5 成都理工大学硕士学位论文 鸥兰 ，? 鳍芒氍嚣器鬟g | j 国颤、 1 5 | i t 丫 c ；彩? 荔雾z j 爱。j ? j 黪骖黪荔z 黪 1 4d 州 尘： 捌a 塔0 i ；砑璐 篓饬籀z 一1 t j 露锈黟0f ? 杖链i ，7 ，。* y ，7 ，”。 i5 t 穗磐l 黛堆砖| ：强j “i 一嚣| 6l l 弱渤缈髟爹矧饕 啦7二i 衫：。l + 麓1 0 碧黪鲤。眵玳够 上 啦8 9 一+ 2 5 v ：f 鼎! 黢獬黔! 尘e 扎a 8 图3 1 1a d 7 7 0 5 硬件连接图 3 2 7 基准源 因为a d 8 1 3 8 和a d 7 7 0 5 都需要一个2 5 v 的基准电压，且a d 7 7 0 5 对2 5 v 基 准电压的要求比较高，故我们选择了高精度基准电压源a d 7 8 0 。a d 7 8 0 是一个低 漂移、高精度、低噪声的基准源，其硬件连接图如图3 1 2 所示，在电源的输入 和输出端我们都加了去耦电容，尽量的减小干扰。 + 2 5 v 图3 1 2 基准源硬件连接图 3 3d s p 数字预处理部分 3 3 1 概述 d s p 数字预处理部分是前端预处理系统的核心，该部分完成对a d 7 7 0 5 数据 采集参数的控制、采样数据的实时处理、处理后数据的实时传输、以及后端命 令的响应，数字部分的原理框图如图3 一1 3 所示： 1 6 第三章d s p 预处理系统硬件设计 图3 13 数字处理部分原理框图 由于是实时的信号处理，故我们选用d s p 来完成数字信号处理的功能，d s p ：枣片我们选用t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，模拟前端a d 与d s p 通过s p i 接口相连，d s p 外 扩一个8 m ： ：1 6 位的s d r a mh y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，用于d s p 处理大量数据存放暂时的数 据，外部的a t 2 5 f 1 0 2 4 是一个1 m 的f l a s l l ，用于b o o t l o a d e r ，系统重新上电后 d s p 会从该f l a s h 中取出程序到d s p 内部的r a m 中并自动开始运行，因为d s p 没有专门的串行接口，我们选择专用的串行接口芯片m a x 3 l l l e 来完成与后端的 数据传输，d