基于FPGA的生命探測儀算法研究與系統(tǒng)設(shè)計

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)計中利用模塊化的思想方法分別設(shè)計了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信號的分析與提取，實現(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，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

0 引言
    雷達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，可在較遠的距離內(nèi)探測到生命體的生命信號(呼吸、體動)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，因此近年來備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。其基本原理是利用雷達天線發(fā)射的電磁波穿透一定障礙物照射到人體時，反射的回波信號受到人體生理運動(如心跳、呼吸)引起表面微動的多普勒調(diào)制，人體表面微動信號就加載到了反射波中，這種人體的微動與回波幅度相位之間具有相關(guān)性。對回波信號進行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)備多是基于單片機與PC機顯控系統(tǒng)，具有系統(tǒng)體積較大，靈活性差，實時性差等缺點。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，上位機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，具有很高的實用價值，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 生命探測雷達工作原理
    生命探測雷達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動時，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動速度向量有關(guān)，這種現(xiàn)象被稱為多普勒頻移。多普勒雷達發(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動的信息，因此只要解調(diào)出返回信號就可以獲得所要結(jié)果。
    如果忽略幅度的變化，由單頻連續(xù)波雷達發(fā)射的信號可以表示為：
    s(t)=Acos(2πfct+φ) (1)
    式(1)中，fc是雷達的發(fā)射波頻率，φ為初相，A為振幅。
    雷達接收機接收到的目標回波信號sr(t)為：
    sr(t)=Ks(t-tr)=KAcos[2πfc(t-tr)+φ] (2)
    式(2)中，tr=2R／c為回波信號滯后于發(fā)射信號的時間：R為目標和雷達之間的距離：c為電磁波傳播速度，在自由空間傳播時，c等于光速；K為回波的衰減系數(shù)。
    當(dāng)目標和雷達之間有相對運動時，距離R隨時間變化。設(shè)目標以勻速相對雷達運動，則在t時刻目標與雷達的距離R月(t)為：
    R(t)=R0-vrt    (3)
    式(3)中，R0為t=0時的距離，vr為目標相對雷達的徑向運動速度。
    由于通常雷達和目標間的相對速度vr遠小于電磁波速度c，故時延tr可近似寫為：

    多普勒頻率正比于相對運動的速度，而反比于工作波長λ。當(dāng)目標以接近雷達的方向運動時，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)目標以背離雷達的方向運動時，多普勒頻率為負值，接收信號的頻率低于發(fā)射信號的頻率。
    生命的特征在于運動，如人體呼吸和心跳時胸腔的運動以及人的體動等。當(dāng)電磁波照射到人體時，反射波會產(chǎn)生多普勒頻移。根據(jù)人的呼吸、心跳和體動產(chǎn)生的多普勒頻率的特性，可以探測生命體是否存在。
1．2 生命探測雷達回波信號分析
    人體生命體征信號(呼吸、心跳和體動)是一種極微弱的低速目標信號。理論上，人體連續(xù)的心臟跳動和呼吸會引起胸腔的起伏運動，進而會產(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。實際中，由于雷達內(nèi)部運動、人體體動等情況，目標回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)人體生命體征運動(呼吸和心跳)是頻率為Ω，幅度為A的簡諧振動：
    X(t)=Acos(Ωt+φ)     (7)
    設(shè)質(zhì)點的振動速度為：
    v(t)=dX／dt=-AΩsin(Ωt+φ)     (8)
    則雷達發(fā)射信號入射到人體表面產(chǎn)生的多普勒頻移為：
    fd(t)=2v(t)／λ=-(2AΩ／λ)sin(Ωt+φ)     (9)
    式(9)中，λ為雷達發(fā)射信號的波長。若設(shè)發(fā)射信號為St(t)=Atcos(ωct+θ0)，則經(jīng)過人體表面反射后的雷達信號為：
    Sr(t)=Arcos[ωc(t-tr)]+θ0+kg(t)     (10)
    式(10)中，為回波信號滯后于發(fā)射信號的時間；k為常數(shù)，用于反映人體振動面對雷達發(fā)射信號的相位調(diào)制度，且k|g(t)|<<1。分析可知：
    Sr(t)≈Arcos(ωct+θ0)-Arkg(t)sin(ωct+θ0)     (11)
    Sr(t)經(jīng)過放大后與相干本振信號sln(ωct+θ0)進行相干混頻，再經(jīng)過低通濾波，即可得出人體生命信號：
    a(t)=-(ArGk／λ)X(t)     (12)
    由式(12)可見，雷達回波信號經(jīng)過處理后所得的人體生命體征信號a(t)的輸出幅度與雷達的發(fā)射信號Ar、人體振動面雷達相位調(diào)制度k和雷達系統(tǒng)處理增益G成正比，與雷達發(fā)射信號波長λ成反比。
    人體的呼吸、心跳信號是一種窄帶、低幅值、準周期信號，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反射導(dǎo)致信號的頻譜有一定展寬。因為回波信號體現(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多普勒頻移信號的組合：
   
    式(3)中，ai、fi和φi分別為第i個諧波分量的幅度、歸一化頻率和初始相位，p是諧波個數(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：

    本文所述的生命探測雷達系統(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)可以進行多普勒頻率的估計。平靜狀態(tài)下人的心跳頻率大約是60次／分鐘，即1次／秒，心臟跳動一次有擴和張各一次，每次擴張的位移大約D=5 mm，則多普勒頻率fd=2vd／λ=2(2D／t)／λ= 0．11Hz；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D=5mm，則多普勒頻率fd=2vd／λ=2(2D／t)／λ=0．04 Hz；步行的速度約為fd=2vd／λ=5 Hz。根據(jù)以上推斷，人體心跳和呼吸微動的多普勒頻移分別為0．11 Hz和0．04 Hz；體動的多普勒頻率約為5～50 Hz，生命信號歸屬于微弱的低速目標多普勒信號。
    本文即采用數(shù)字濾波器在FPGA中進行生命信號的處理，針對人體呼吸、心跳和體動等不同頻率多普勒頻移，設(shè)計了兩路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)計方案
    本生命探測儀采用連續(xù)波雷達體制，由天線、發(fā)射機和接收機、信號處理機、顯示控制平臺等組成，其中信號處理機是生命探測儀算法實現(xiàn)的主要部分。信號處理機由一塊電路板組成，分別進行模擬信號和數(shù)字信號處理。本設(shè)計中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CycloneⅢ系列的EP3C80F484C7芯片。FPGA器件能夠以高速、實時、低成本、高靈活性的優(yōu)點應(yīng)用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，利用它來進行數(shù)字濾波器的設(shè)計技術(shù)已經(jīng)非常成熟。

    圖1所示為本文的信號處理機系統(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，然后對信號進行放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換，再送入數(shù)字信號處理單元。

3 FPGA軟件設(shè)計
    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。FPGA完成的功能如下：
    (1)為整個系統(tǒng)提供時序信號，包括A／D采樣時鐘、運放以及A／D等器件控制信號；
    (2)完成兩路FIR濾波器硬件實現(xiàn)，F(xiàn)PGA內(nèi)部模塊主要包括兩個濾波器、FIFO、串口、控制模塊，圖2所示是FPGA內(nèi)部軟件設(shè)計原理圖。

3．1 基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計
    FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)是一個分節(jié)的延時線，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：
   
    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(N-1-i)其中，(0≤i≤N-1)，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：
   
    這樣，只需要做N／2(當(dāng)N為奇數(shù)時為(N+1)／2)次而不是N次乘法，就可以實現(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)計并在FPGA上實現(xiàn)的方案。根據(jù)實際要求，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兩種情況。經(jīng)計算，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1～50 Hz的帶通濾波器獲取體動信息。我們選擇海明窗作為系數(shù)計算窗函數(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硬件實現(xiàn)FIR濾波器。由于目前的FPGA器件只能支持定點計算，從Matlab計算所得的系數(shù)^是浮點值，需要轉(zhuǎn)換成定點值，即進行系數(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)計完成濾波器系數(shù)和結(jié)構(gòu)在具體硬件實現(xiàn)之前先對它進行濾波的功能仿真。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。濾波器的時域波形和頻域波形如圖3所示。

    對于通頻帶為1～50 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域與頻域波形如圖4所示。

    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，并且通頻帶外的噪聲也得到了極大地抑制。由于MATLAB濾波輸出是將輸入數(shù)據(jù)與濾波器系數(shù)直接卷積而得出的，濾波器的輸出相較于輸入有一定的延遲。兩路濾波器的設(shè)計都滿足系統(tǒng)性能要求規(guī)范。
3．2 異步FIFO設(shè)計
    FIFO是一種先入先出的內(nèi)存數(shù)組，其控制邏輯將執(zhí)行所有必要的讀寫指針管理，并產(chǎn)生狀態(tài)標志信號和可選擇的與用戶邏輯電路接口連接的握手信號。由于數(shù)據(jù)采樣數(shù)率遠遠小于串口數(shù)據(jù)傳輸速率，濾波器輸出與串行通信接口之間要進行數(shù)據(jù)緩存，這里使用異步FIFO模塊實現(xiàn)不同時鐘模塊間的數(shù)據(jù)傳送。圖5所示是異步FIFO時序仿真波形。

    若寫入時鐘頻率為250 Hz，讀出頻率為500 Hz。則由圖5可以看出利用Quartus提供IP核即可以完成異步讀寫功能，從而實現(xiàn)不同時鐘間的數(shù)據(jù)讀寫。
3．3 UART的設(shè)計
    RS-232使用異步通訊協(xié)議。也就是說，數(shù)據(jù)的傳輸沒有時鐘信號，接收端必須有某種方式，使之與接收數(shù)據(jù)同步。UART是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，UART允許在串行鏈路上進行全雙工的通信。圖6所示是UART模塊的設(shè)計框圖UART主要包括接收模塊和發(fā)送模塊。接收模塊將FIFO從異步接收輸入信號SIN接收到的異步信號通過接收器完成串行／并行的轉(zhuǎn)換，形成異步數(shù)據(jù)幀：發(fā)送器將CPU發(fā)出的8位數(shù)據(jù)進行并行／串行轉(zhuǎn)換，從SOUT發(fā)送出去。

    本文采用有限狀態(tài)機來設(shè)計UART波特率發(fā)生器、接收器和發(fā)送器模塊，并設(shè)計了一種16位數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。本系統(tǒng)的UART的波特率設(shè)定為19 200，數(shù)據(jù)幀格式為1 b起始位，8 b數(shù)據(jù)位，1 b停止位，沒有奇偶校驗位，也即數(shù)據(jù)幀為10 b。
3．3．1 波特率發(fā)生器
    波特率發(fā)生器實際上是一個分頻器，根據(jù)給定的系統(tǒng)時鐘頻率和要求的波特率算出波特率分頻因子，利用波特率發(fā)生器可以產(chǎn)生任意頻率時鐘。由設(shè)置的波特率可以算出分頻系數(shù)，具體算法為分頻因子。其中m為所用寄存器位數(shù)，Baud為波特率，clk為時鐘頻率。系統(tǒng)全局時鐘為40 MHz，傳輸波特率為19．2 Kb／s?？捎纱耸剿愠龇诸l因子X=31．5，四舍五入后得X=32，實際產(chǎn)生的波特率為Baudclk=19 193，跟理想的19 200波特率誤差為0．04％。
3．3．2 串口發(fā)送模塊
    串口發(fā)送模塊主要實現(xiàn)將FIFO輸出的8位并行數(shù)據(jù)封8進行串行發(fā)送的功能。發(fā)送時對于異步傳輸協(xié)議，不需要同接收端進行時間同步。幀的傳送靠起始位來同步，起始位低電平，用下降沿沿通知對方接收方傳輸?shù)拈_始，緊跟著是8位數(shù)據(jù)位，傳輸時低位元在前，高位在后。數(shù)據(jù)位后面是停止位，高電平有效。串口發(fā)送模塊仿真結(jié)果如圖7所示。

3．3．3 串口接收模塊
    串口接收模塊主要實現(xiàn)將上位機發(fā)送的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)的功能。接收模塊實際上是發(fā)送模塊的逆過程，當(dāng)檢測到低電平時，表示有資料到來。為了確定新數(shù)據(jù)的到來，即檢測開始位，我們使用8倍于波特率的采樣時鐘對接收到的信號進行采樣，以防止因為毛刺等造成錯誤判斷。當(dāng)8位數(shù)據(jù)接收完成后，ready輸出高電平，數(shù)據(jù)輸出有效。串口接收模塊仿真結(jié)果如圖8所示。

4 結(jié)語
    本文從理淪上研究了雷達式生命探測儀的算法，推導(dǎo)出了人體呼吸和運動所產(chǎn)生的多普勒頻移范圍，設(shè)計了生命探測儀信號處理板硬件系統(tǒng)，并詳細介紹了利用FPGA實現(xiàn)濾波、異步存取以及數(shù)據(jù)收發(fā)和控制。利用FPGA與ARM9的結(jié)合，實現(xiàn)了生命探測儀的小型化與便攜化。實驗證明，本項目開發(fā)的生命探測儀達到了隔墻心跳探測大于4 m，人體移動大于10 m，實現(xiàn)了較高的戰(zhàn)術(shù)指標。