CN204671126U - 一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统，包含依次连接的信号收发模块、信号采集模块、数据处理模块和显示模块；所述数据处理模块包含微控制器模块以及与其连接的ADC前置电路、键盘电路、复位电路、时钟电路和电源电路；本实用新型能够有效的降低电路的复杂程度，降低整个系统的成本，提高整个系统的实际使用价值。

Description

一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统

技术领域

本实用新型涉及一种信号处理系统，尤其涉及 一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统，属于信号处理控制领域。

背景技术

近年来，不论是我国还是其他国家都发生了一些重大的自然灾害。在2008年1月到2013年2月期间，全球共发生了114次7级以上地震、6次8级以上地震，其中就有2008年5月12日在我国四川省汶川县发生的8.0级地震。汶川地震波及四川、甘肃、陕西、重庆、云南、山西、贵州、湖北8省市，造成了巨大的人员伤亡和财产损失。

除了汶川地震，我国还发生了舟曲泥石流灾害等一系列重大灾难和事故。我国是一个国土辽阔的国家，960万平方公里的国土面积位居世界第三，但从另一个意义上说，我国发生重大灾害的概率也相对较大，而在灾害的救援中，电磁波生命探测仪可以发挥出重大的作用。此外，电磁波生命探测仪还可以用于军事，反恐，安检等领域，具有广阔的应用前景。

近些年来随着雷达、计算机、生物医学工程等学科的发展，以及军事、社会发展需要，产生了电磁波生命探测这一新技术。它利用电磁波良好的穿透性以及电磁波的多普勒效应，在不需要直接接触目标生命体的情况下，利用呼吸、心跳等人体生命参数，对生命体进行探寻。经过对电磁波生命探测系统的深入研究，发现现有的电磁波生命探测系统还存在一些问题。其中，最主要问题是电磁波生命探测仪具有较高的技术成本以及较高的硬件成本，导致了电磁波生命探测仪不能大规模推广。

电磁波生命探测仪对生命信号检测过程中的核心部分是对接收到的信号进行快速傅立叶变换（FFT）。快速傅里叶变换(FFT)是为了减少离散傅里叶变换（DFT）运算量的一种快速有效的算法，它们的目的都是将信号变换到频域并进行相应的频谱分析。虽然FFT的运算量已经大幅减少，但是计算N点的FFT时依然需要Nlog2N次加法和0.5Nlog2N次乘法[1]。当N比较大时，FFT过程中复杂的复数运算对所用设备的计算能力以及RAM的需求也是很大的。当前所研发出的生命探测仪绝大部分都是采用专用的DSP或者采用FPGA来进行该过程。使用这些元件会带来较高的成本，导致电磁波生命探测仪的价格居高不下，不利于产品的大规模推广。而极少数采用单片机的方案为了能够完成FFT的过程都采用了多个单片机来进行计算，既增加了设备的复杂程度，使得设备的可靠度在一定程度上被降低了，又不能有效的解决成本的问题。如果能开发出一种能够仅依靠单块单片机来完成整个处理过程的生命探测仪就能够有效的降低成本，加速产品的推广。

目前，多采用FFT运算来进行生命信号的处理。但是由于现有的设计大多采用计算性能较强的设备，因而在这些设计中基本都在使用原始的FFT算法，并未在编写运行程序时做进一步的优化，导致了这些系统在FFT的运算过程上消耗了大量的系统资源，降低了整个系统的工作效率。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统，其能够有效的降低电路的复杂程度，降低整个系统的成本，提高整个系统的实际使用价值。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统，包含依次连接的信号收发模块、信号采集模块、数据处理模块和显示模块；所述数据处理模块包含微控制器模块以及与其连接的ADC前置电路、键盘电路、复位电路、时钟电路和电源电路；所述信号收发模块用于发射电磁波进行生命探测，所述信号采集模块用于对接收到的信号进行A/D转换并加以记录和传输，所述数据处理模块用于对信号采集模块传输来的信号进行数据处理进而通过显示模块实时显示，所述电源电路用于提供微控制器模块、ADC前置电路、键盘电路、复位电路、时钟电路所需电能。

作为本实用新型一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统的进一步优选方案，所述信号收发模块设有一根发射天线和两根接收天线，用于消除环境中的一些因素对信号造成的干扰。

作为本实用新型一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统的进一步优选方案，所述微控制器模块采用C8051F120单片机。

作为本实用新型一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统的进一步优选方案，所述显示模块为LCD显示屏。

作为本实用新型一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统的进一步优选方案，所述电源模块采用可充电蓄电池。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型能够有效的降低电路的复杂程度，降低整个系统的成本，提高整个系统的实际使用价值；

2、本实用新型使用了一块单片机来完成全部的控制与运算工作，使得系统的生产成本大大降低，便于推广，因此本文设计的电磁波生命探测仪具有较高的实用价值。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型数据处理模块的结构原理图；

图3是本实用新型的电源电路原理图；

图4是本实用新型的时钟电路原理图；

图5是本实用新型的复位电路原理图；

图6是本实用新型的ADC前置电路原理图；

图7是本实用新型的键盘电路原理图；

图8是本实用新型的显示电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

    如图1所示，一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统，包含依次连接的信号收发模块、信号采集模块、数据处理模块和显示模块；虚线框外的部分为电磁波生命探测仪的前端雷达系统部分，框内则为后端信号处理系统部分，前端雷达系统的为一个小型的手持雷达装置，可以发射特定频率的电磁波来进行生命探测，其收发模块有一根发射天线和两根接收天线，这是一种在电磁波生命探测仪中常用的设计，为的是可以利用它们分别收集到的信号进行运算来消除环境中的一些因素对信号造成的干扰，后端信号处理系统部分由采集模块、数据处理模块和显示模块组成，整个后端模块接收前端雷达信号并进行处理。具体来说，采集模块就是对接收到的信号进行A/D转换并加以记录、传输以进行进一步处理的模块；数据处理模块是整个系统的核心，它负责调配整个系统的工作，同时对A/D数据进行处理，并输出到显示模块；显示模块是用图形或文字来直观的表现电磁波生命探测的结果的模块，图一中的运算与控制模块即为数据处理模块。

    如图2所示，所述数据处理模块包含微控制器模块以及与其连接的ADC前置电路、键盘电路、复位电路、时钟电路和电源电路；所述信号收发模块用于发射电磁波进行生命探测，所述信号采集模块用于对接收到的信号进行A/D转换并加以记录和传输，所述数据处理模块用于对信号采集模块传输来的信号进行数据处理进而通过显示模块实时显示，所述电源电路用于提供微控制器模块、ADC前置电路、键盘电路、复位电路、时钟电路所需电能。

其中，所述信号收发模块设有一根发射天线和两根接收天线，用于消除环境中的一些因素对信号造成的干扰，所述微控制器模块采用C8051F120单片机，所述显示模块为LCD显示屏，所述电源模块采用可充电蓄电池。

本实用新型以C8051F120单片机为核心进行设计，实现对输入信号的FFT运算和显示，并检测出是否有生命信号存在。本设计包括硬件电路设计与软件设计两部分，其中最重要的是对运行在C8051F120单片机上的FFT程序进行针对性优化，进而只使用一块单片机来完成全部的功能。本文的设计能够有效的降低电路的复杂程度，降低整个系统的成本，提高整个系统的实际使用价值。

数据处理模块对芯片类型的要求要高于控制部分对芯片类型的要求，因为运算部分所进行的FFT运算具有很大的运算量。具体来说，在未进行程序优化前利用时域抽取的基2-FFT算法计算N点的FFT需要Nlog2N次加法和0.5Nlog2N次乘法。此外，由于FFT运算过程中需要进行多轮的蝶形运算，为了实时调用这些结果，需要消耗较大的RAM在运算中保存数据。为了能够及时的对输入信号进行处理，本实用新型需要一个具有较强的计算能力的芯片，因而大致有如下4种选择：

（1）选择用一块针对运算优化的DSP作为该模块

（2）选择用一块具有较强运算能力的FPGA作为该模块

（3）选择用一块经过优化设计的单片机作为该模块

（4）选择基于以上三种方案的组合，选用多块芯片作为该模块

    采集模块的选择：本设计选择的C8051F120单片机带有一个12位100ksps的ADC，一个8位500ksps的ADC，两个12位的DAC[8]。C8051F120自带的ADC足够满足本设计的系统的精度和采样率，同时还能够做到减小电路规模，节约硬件成本的效果，因而在这里的采集模块采用单片机自带的ADC来完成。

图8是本实用新型的显示电路原理图。显示模块要显示出波形，因为仅能选择点阵型LCD。点阵式LCD不仅可以显示字母、数字和符号，还可以显示各种图形、曲线和汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动，反转，闪烁等功能，用途十分广泛。点阵型LCD有各种大小可选，这里选择常用的128（列）×64（行）的LCD显示模块。在整个电磁波生命探测仪的信号处理系统中，通过单片机的输入输出接口，利用C语言编写的程序来控制LCD的资料传输与控制，从而显示出系统接收到的波形

图3是本实用新型的电源电路原理图；外接一个电源适配器将220V交流电转换为5V直流电，并通过图中的电源插座JP1输入到电源电路中来进行进一步处理。输入的5V直流电首先经过1N5819肖特基二极管来进行稳压，然后通过一块常用的稳压芯片AMS1117-3.3V来进行电压调节工作，把5V输入电压调整为3.3V。AMS1117是一款低压差的线性稳压器，提供了完善的过流保护和过热保护功能，具有良好的稳定性。AMS1117性能优良，能够确保输出电压和参考源精度在±1%的精度范围内。只有保证了一个准确而稳定的电压，才能确保单片机能够正常的工作。此外，AD数据的采集需要一个准确的参考值，C8051F120单片机自带的ADC的基准电压为2.5V，而它自身的VERF引脚提供的是1.2V的基准电压，因此需要从外部提供电压。共有3个引脚需要与基准电压连接，分别为VERFD，VERF0以及VERF1。为了准确的获得2.5V的基准电压，在本设计中使用了一块TL431芯片。TL431是一种有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从基准电压（2.5V）到36V范围内的任何值。

图4是本实用新型的时钟电路原理图；C8051F120单片机的时钟信号由内部可编程晶振产生，在C8051F120内部有一个独立运行的时钟发生器，该时钟发生器会在复位后被默认为系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器产生的系统时钟。C8051F120单片机可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC等作为外部振荡器[9]。另外，片内提供的PLL（锁相环）允许达到更高的系统时钟频率以提高运行速度。在本设计中将使用C8051F120单片机来进行全部的运算与控制功能，为了能够提高运算速度，需要尽可能的使单片机达到最高的时钟频率。

在时钟电路中选择外接了一个25MHz石英晶振，并在程序中开启倍频使C8051F120单片机工作在100MHz的频率下，从而能够达到100MIPS的峰值性能。

图5是本实用新型的复位电路原理图；采用上电复位方式和外部RST引脚复位方式。在系统上电时刻，单片机一直保持在复位状态，直到单片机电压上升到超过复位电平，通过复位方式称为上电复位方式。而当系统运行出现异常时，在RST引脚加一个低电平有效信号将导致单片机进入复位状态，这种方式称为外部RST引脚复位方式。在使用外部RST引脚复位方式时最好能为RST引脚提供一个外部上拉或对RST引脚去耦，这样可以防止强噪声引起单片机复位。

采用通用RC电路进行外部复位。系统上电时，电源电路中AMS1117芯片的3.3V输出电压经过复位电路中的电阻R2对电容C5进行充电，产生复位低电平，使单片机进行复位。当系统运行出现异常时，按下手动复位按钮S1把输入电压通过电阻 R1、R2进行分压，产生复位低电平，开始复位。复位完毕之后，系统进入正常的工作状态。

图6是本实用新型的ADC前置电路原理图；C8051F120单片机的ADC能转换的电压范围是0～2.5V，超出此范围的电压不仅不能正确地转换，还会损坏单片机的引脚。因此，外界的信号在输入单片机之前必须通过信号处理电路，对电压进行转换，变为0～2.5V电压信号，才能正确的处理和显示输入信号。

图7是本实用新型的键盘电路原理图；只用了3个按键，且C8051F120单片机有充足的I/O口供用户使用，因此初步决定使用独立式键盘。经过进一步考虑，为了节省单片机资源来进行信号处理，应精简其他部分程序占用的系统资源，这更加充分的说明应当使用独立式键盘。三个独立的按键分别接到单片机的P2.0-P2.2口，三个按钮通过一个公共端接地，因而按下按钮时对应的引脚能够接收到一个低电平的信号。

图8是本实用新型的显示电路原理图：12864液晶采用并行方式连接。采用并行方式时，把12864的PSB引脚接成高电平，并把它的8条数据总线DB0-DB7分别连接到单片机的P3.0-P3.7接口。12864液晶的V0接口通过一个10k的滑动变阻器与VCC和GND相连接，可以通过调节该滑动变阻器的阻值大小来调整液晶屏幕的对比度。

Claims (4)

1.一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统，其特征在于：包含依次连接的信号收发模块、信号采集模块、数据处理模块和显示模块；所述数据处理模块包含微控制器模块以及与其连接的ADC前置电路、键盘电路、复位电路、时钟电路和电源电路；所述信号收发模块用于发射电磁波进行生命探测，所述信号采集模块用于对接收到的信号进行A/D转换并加以记录和传输，所述数据处理模块用于对信号采集模块传输来的信号进行数据处理进而通过显示模块实时显示，所述电源电路用于提供微控制器模块、ADC前置电路、键盘电路、复位电路、时钟电路所需电能。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统，其特征在于：所述信号收发模块设有一根发射天线和两根接收天线，用于消除环境中的一些因素对信号造成的干扰。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统，其特征在于：所述微控制器模块采用C8051F120单片机。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁波生命探测仪的信号处理系统，其特征在于：所述显示模块为LCD显示屏。