基于FPGA的生命探測儀算法研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于FPGA的生命探測儀算法研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)    摘 要：給出了一種基于FPGA的生命探測信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。從理論上研究了生命探測儀的算法及其軟硬件系統(tǒng)。其中在FPGA軟件設(shè)計(jì)中利用模塊化的思想方法分別設(shè)計(jì)了 FIR濾波器、異步FIFO、UART、電池監(jiān)控、功能控制等功能模塊。最后完成人體特征信號和體動(dòng)信號的分析與提取，實(shí)現(xiàn)了非接觸情況下生命探測與發(fā)現(xiàn)。相對于傳統(tǒng)的生命探測儀，該設(shè)備具有體積小，功耗低，操作簡單，攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于野外和戰(zhàn)場生命探測等應(yīng)用場合。 關(guān)鍵詞：生命探測儀；FPGA；FIR濾波器；FIFO；UART 中圖分類號：TP

2、31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302(2012)03-0046-05 FPGA-based life-detector algorithm and system design ZHANG Cheng-li ( Institute of Electronic Engineering, Xian University of Electronic Science and Technology, Xian 710071, China) Abstract: A FPGA-based life detection signal processing system design is pres

3、ented. The life detector algorithm and its hardware and software systems are studied theoretically. In FPGA software design, the modular thinking was used to design FIR filter, asynchronous FIFO, UART, battery monitoring and functional control modules. The human body characteristic signal and the bo

4、dy movement signal are analyzed and extracted to achieve a non-contact detection and discovery of life circumstances. Compared with the traditional life detector, the device has small size, low power consumption, simple operation, easy to carry, etc., especially suitable for field and battlefield li

5、fe detection and other applications. Keywords: life detector; FPGA; FIR filter; FIFO; UART 0 引 言 雷達(dá)式非接觸生命探測技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新技術(shù)，是融合雷達(dá)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)于一體，可穿透非金屬介質(zhì)(磚墻、廢墟等)，不需要任何電極或傳感器接觸生命體，可在較遠(yuǎn)的距離內(nèi)探測到生命體的生命信號(呼吸、體動(dòng))的一種特殊電子裝置。該探測儀克服了基于激光、紅外生命探測儀受溫度影響嚴(yán)重、遇物體阻擋失效的問題,也克服了超聲探測空間傳播衰減大、受環(huán)境雜物反射干擾、水、冰、泥土阻擋失效的問題，因此近年來備受國

6、內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注1。其基本原理是利用雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波穿透一定障礙物照射到人體時(shí)，反射的回波信號受到人體生理運(yùn)動(dòng)（如心跳、呼吸）引起表面微動(dòng)的多普勒調(diào)制，人體表面微動(dòng)信號就加載到了反射波中，這種人體的微動(dòng)與回波幅度相位之間具有相關(guān)性。對回波信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、濾波等處理就可以提取到人體的生命特征信息。 現(xiàn)有設(shè)備多是基于單片機(jī)與PC機(jī)顯控系統(tǒng)，具有系統(tǒng)體積較大，靈活性差，實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。本文主要研究生命探測儀算法和基于FPGA的信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，上位機(jī)采用基于嵌入式系統(tǒng)的顯示控制單元。該系統(tǒng)體積小、成本低、攜帶方便，具有很高的實(shí)用價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于災(zāi)害救援(地震、塌方傷員的探尋)、反恐斗爭(隔墻

7、監(jiān)控罪犯、解救人質(zhì))等場合。 1 生命探測儀算法研究 1.1 生命探測雷達(dá)工作原理 生命探測雷達(dá)的基本原理是多普勒效應(yīng)。當(dāng)發(fā)射源與接收者之間有相對徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的信號頻率將發(fā)生變化，其頻率差別與兩者的相對運(yùn)動(dòng)速度向量有關(guān)，這種現(xiàn)象被稱為多普勒頻移1。多普勒雷達(dá)發(fā)送連續(xù)的電磁波信號到被探測對象，返回的信號被調(diào)制而具有被探測對象運(yùn)動(dòng)的信息，因此只要解調(diào)出返回信號就可以獲得所要結(jié)果1。 如果忽略幅度的變化，由單頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射的信號可以表示為： (1) 式(1)中，fc是雷達(dá)的發(fā)射波頻率，為初相，A為振幅。 雷達(dá)接收機(jī)接收到的目標(biāo)回波信號sr(t)為： (2) 式(2)中，tr=2R/c為回波信

8、號滯后于發(fā)射信號的時(shí)間； R為目標(biāo)和雷達(dá)之間的距離； c為電磁波傳播速度，在自由空間傳播時(shí)，c等于光速； K為回波的衰減系數(shù)。 當(dāng)目標(biāo)和雷達(dá)之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，距離R隨時(shí)間變化。設(shè)目標(biāo)以勻速相對雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，則在t時(shí)刻目標(biāo)與雷達(dá)的距離R(t)為： (3) 式(3)中，R0為t=0時(shí)的距離，vr為目標(biāo)相對雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)速度。 由于通常雷達(dá)和目標(biāo)間的相對速度vr遠(yuǎn)小于電磁波速度c，故時(shí)延tr可近似寫為： (4) 回波信號與發(fā)射信號相比，高頻相位差可表示為： (5) 由于式（5）中的是時(shí)間t的函數(shù)，故在速度vr為常數(shù)時(shí)其產(chǎn)生的頻率差為： (6) 多普勒頻率正比于相對運(yùn)動(dòng)的速度，而反比于工作波長。當(dāng)目標(biāo)以接

9、近雷達(dá)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率為正值，接收信號頻率高于發(fā)射信號頻率；當(dāng)目標(biāo)以背離雷達(dá)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率為負(fù)值，接收信號的頻率低于發(fā)射信號的頻率。 生命的特征在于運(yùn)動(dòng)，如人體呼吸和心跳時(shí)胸腔的運(yùn)動(dòng)以及人的體動(dòng)等。當(dāng)電磁波照射到人體時(shí)，反射波會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。根據(jù)人的呼吸、心跳和體動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率的特性，可以探測生命體是否存在。 1.2 生命探測雷達(dá)回波信號分析 人體生命體征信號（呼吸、心跳和體動(dòng)）是一種極微弱的低速目標(biāo)信號。理論上，人體連續(xù)的心臟跳動(dòng)和呼吸會(huì)引起胸腔的起伏運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生系列多普勒頻移信號，這些信號可以用連續(xù)波的形式來表示。實(shí)際中，由于雷達(dá)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)、人體體動(dòng)等情況，目標(biāo)回

10、波信號除了包括心跳和呼吸信號外還包括其它連續(xù)波分量。將人體簡化為復(fù)合介電常數(shù)的球體和圓柱體模型。設(shè)人體生命體征運(yùn)動(dòng)（呼吸和心跳）是頻率為，幅度為A的簡諧振動(dòng)2： (7) 設(shè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度為： (8)     則雷達(dá)發(fā)射信號入射到人體表面產(chǎn)生的多普勒頻移為： (9) 式(9)中，為雷達(dá)發(fā)射信號的波長。若設(shè)發(fā)射信號為 ，則經(jīng)過人體表面反射后的雷達(dá)信號為： (10) 式(10)中，；為回波信號滯后于發(fā)射信號的時(shí)間；k為常數(shù)，用于反映人體振動(dòng)面對雷達(dá)發(fā)射信號的相位調(diào)制度，且 。分析可知： (11) Sr(t)經(jīng)過放大后與相干本振信號sin(ct+0)進(jìn)行相干混頻

11、，再經(jīng)過低通濾波，即可得出人體生命信號： (12) 由式(12)可見，雷達(dá)回波信號經(jīng)過處理后所得的人體生命體征信號a(t)的輸出幅度與雷達(dá)的發(fā)射信號Ar、人體振動(dòng)面雷達(dá)相位調(diào)制度k和雷達(dá)系統(tǒng)處理增益G成正比，與雷達(dá)發(fā)射信號波長成反比。 人體的呼吸、心跳信號是一種窄帶、低幅值、準(zhǔn)周期信號，易受噪聲和環(huán)境干擾的影響。呼吸頻率的不均勻和胸腔的多點(diǎn)反射導(dǎo)致信號的頻譜有一定展寬。因?yàn)榛夭ㄐ盘栿w現(xiàn)了人體呼吸和心跳產(chǎn)生的多普勒頻移，在頻域上出現(xiàn)不同的諧波，可以將心跳和呼吸的回波信號表示成多個(gè)多普勒頻移信號的組合： (13) 式（3）中，ai、fi和i分別為第i個(gè)諧波分量的幅度、歸一化頻率和初始相位，p是諧波

12、個(gè)數(shù)。 回波信號除了生命信號外，還包含有雜波和噪聲等客觀存在的信號，主要包括地表物體、云雨和人為施放的干擾等。墻壁等固定物體的回波和干擾信號可以建模成高斯色噪聲，人體的呼吸、心跳信號可以建模成諧波過程，因此可假設(shè)接收的回波信號模型為： (14) 實(shí)際工作中，信號都是采樣后的離散信號，則回波的表達(dá)式為： (15) 本文所述的生命探測雷達(dá)系統(tǒng)采用1.5 GHz的工作頻率。根據(jù)正常人的生命體征參數(shù)可以進(jìn)行多普勒頻率的估計(jì)。平靜狀態(tài)下人的心跳頻率大約是60次/分鐘，即1次/秒，心臟跳動(dòng)一次有擴(kuò)和張各一次，每次擴(kuò)張的位移大約D=5 mm，則多普勒頻率fd=2vd / =2(2D/t)/=0.11 Hz；

13、呼吸頻率是20次/分鐘即0.33次/秒，呼吸一次有呼和吸各一次，每次呼吸的位移D5mm，則多普勒頻率fd=2vd / =2(2D/t)/=0.04 Hz ；步行的速度約為fd=2vd / =5 Hz。根據(jù)以上推斷，人體心跳和呼吸微動(dòng)的多普勒頻移分別為0.11 Hz和0.04 Hz；體動(dòng)的多普勒頻率約為550 Hz，生命信號歸屬于微弱的低速目標(biāo)多普勒信號 。 本文即采用數(shù)字濾波器在FPGA中進(jìn)行生命信號的處理，針對人體呼吸、心跳和體動(dòng)等不同頻率多普勒頻移，設(shè)計(jì)了兩路FIR濾波器完成干擾及雜波的濾除。 2 基于FPGA的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 本生命探測儀采用連續(xù)波雷達(dá)體制，由天線、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、信號

14、處理機(jī)、顯示控制平臺等組成，其中信號處理機(jī)是生命探測儀算法實(shí)現(xiàn)的主要部分。信號處理機(jī)由一塊電路板組成，分別進(jìn)行模擬信號和數(shù)字信號處理。本設(shè)計(jì)中FPGA芯片主要完成超低速微弱信號的去噪以及低頻濾波的工作，選用Altera公司的Cyclone系列的EP3C80F484C7芯片。FPGA器件能夠以高速、實(shí)時(shí)、低成本、高靈活性的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，利用它來進(jìn)行數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。 圖1所示為本文的信號處理機(jī)系統(tǒng)功能框圖。圖中，輸入信號是低頻微弱信號，為了降低信號處理板與微波前端的相互影響，在信號調(diào)理電路中采用一級電壓跟隨電路，起到緩沖隔離的作用，然后對信號進(jìn)行放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換，再送

15、入數(shù)字信號處理單元。 圖1 信號處理機(jī)系統(tǒng)功能框圖 3 FPGA軟件設(shè)計(jì) FPGA是本系統(tǒng)的核心模塊，承載了全部的數(shù)字元電路設(shè)計(jì)。FPGA完成的功能如下： （1）為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)序信號，包括A/D采樣時(shí)鐘、運(yùn)放以及A/D等器件控制信號； （2）完成兩路FIR濾波器硬件實(shí)現(xiàn)， FPGA內(nèi)部模塊主要包括兩個(gè)濾波器、FIFO、串口、控制模塊，圖2所示是FPGA內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)原理圖。 圖2 FPGA內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)原理框圖 3.1 基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)分節(jié)的延時(shí)線，每一節(jié)的輸出加權(quán)累加，得到濾波器的輸出。數(shù)學(xué)上可以表示為3： (16) 由此可以得出FIR濾波器的傳

16、遞函數(shù)為： (17) 從濾波器的傳遞函數(shù)可以知道，它是恒穩(wěn)定的，不需要回饋。而且只要加權(quán)系數(shù)h(i)=h(N1i)其中，(0iN1)，F(xiàn)IR濾波器就具有線性相位。一般而言，常用的FIR濾波器是線性相位的，即濾波器的系數(shù)滿足某種對稱性。于是線性相位濾波器的輸出為： (N為偶數(shù)) (18) (N為奇數(shù)) (19) 這樣，只需要做N/2(當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)為(N+1)/2)次而不是N次乘法，就可以實(shí)現(xiàn)濾波器的功能，可以大大地節(jié)約硬件資源的消耗，還可以提高速度。 本文采用Matlab的窗函數(shù)方法設(shè)計(jì)并在FPGA上實(shí)現(xiàn)的方案。根據(jù)實(shí)際要求，可以分為有人靜止存在只有呼吸心跳和有人存在并且有體動(dòng)兩種情況。經(jīng)計(jì)算，

17、分別為截止頻率0.5 Hz的低通濾波器獲取呼吸心跳信息和通帶頻率150 Hz的帶通濾波器獲取體動(dòng)信息。我們選擇海明窗作為系數(shù)計(jì)算窗函數(shù)，低通濾波器階數(shù)N=412階，帶通濾波器階數(shù)N=168階。然后通過Matlab中的FIR函數(shù)確定各階系數(shù)，再由FPGA硬件實(shí)現(xiàn)FIR濾波器。由于目前的FPGA器件只能支持定點(diǎn)計(jì)算，從Matlab計(jì)算所得的系數(shù)h是浮點(diǎn)值，需要轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)值，即進(jìn)行系數(shù)量化。為了滿足精度要求，把所有系數(shù)乘以216后再四舍五入即可。 用MATLAB設(shè)計(jì)完成濾波器系數(shù)和結(jié)構(gòu)在具體硬件實(shí)現(xiàn)之前先對它進(jìn)行濾波的功能仿真。濾波器應(yīng)能使通頻帶內(nèi)的信號通過，對通頻帶外的信號給予極大地衰減，阻止其通

18、過。這里輸入信號由MATLAB產(chǎn)生，頻率分量分別位于濾波器的通頻帶之內(nèi)和之外。首先驗(yàn)證截止頻率為0.5 Hz的400階低通濾波器，它的采樣頻率是250 Hz。MATLAB產(chǎn)生幅度為1，頻率分量分別為1 Hz、3 Hz和10 Hz的正弦信號，把它們相迭加并且加入5 dB高斯白噪聲。濾波器的時(shí)域波形和頻域波形如圖3所示。 圖3 通頻帶為01 Hz的低通濾波器時(shí)域與頻域波形 對于通頻帶為150 Hz的200階帶通濾波器，輸入幅度為1，頻率分量分別為30 Hz和60 Hz的帶噪正弦信號，其濾波器輸入輸出的時(shí)域與頻域波形如圖4所示。 圖4 通頻帶150 Hz帶通濾波器時(shí)域與頻域波形 由圖3和圖4可以看出，兩路濾波器的通頻帶外的信號都已經(jīng)被濾除地很干凈，