第四军医大学
硕士学位论文
基于C8051F双单片机的雷达式生命探测仪后端系统的研制
姓名：文汀
申请学位级别：硕士
专业：生物医学工程
指导教师：王健琪
20070501
独创性声明
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论文作者签名： 导师签名： 日期：
基于C8051F双单片机的雷达式生命探测仪
后端系统的研制
硕士研究生：文 汀
导 师：王健琪 教授
第四军医大学生物医学工程系，西安 710032
中文摘要
雷达式生命探测是指在不接触人体的情况下，利用雷达发射的电磁波照射人体，雷达回波信号可被人体生命活动引起的体表微动所调制，从而携带了人体的生命信息。采用一定的硬件电路和信号处理算法，就可以检测出呼吸、心率等人体生命参数。
本课题组前期研制的雷达式生命探测仪是基于PC机为中心处理和控制单元，采用USB接口进行数据采集和接收，用计算机进行信号分析、处理以及显示输出。这种系统在实用中所存在的主要问题是体积较大，重量较重，不便于携带。为了弥补其不足，本课题组提出了用液晶显示器作为显示输出设备，用DSP+MCU+A/D芯片模式取代PC+A/D采集卡模式的方案，以减小系统的体积和重量。采用这种模式后的预实验表明，将DSP置于MCU前的方案，可引起系统的显示输出及屏幕刷新延迟明显，无法实时显示。
针对上述问题，本研究提出了一种改良性系统方案。本方案保留了液晶显示器，进一步采用了双MCU+A/D芯片模式，重新设计了系统软件，由两片MCU分别执行控制和信号处理的任务，实现了实时处理和显示输出，进一步简化了系统结构，具有体积小、重量轻、功耗低、携带方便等优点，同时大幅降低了成本。
本研究主要进行了以下几方面的工作：
1.设计了基于Silicon Laboratories公司生产的单片机C8051F120和
C8051F123的雷达式生命探测仪后端系统，并研制了相应的硬件平
台。雷达前端经预处理的信号经过A/D转换，通过串行口传送到单
片机C8051F120，采用不同的数字信号处理算法对数据进行处理。
一部分数据采用中断方式并行传输给单片机C8051F123，经处理后
给出有/无人以及动/静目标判别结果；另一部分数据送到液晶显示器
实时显示输出波形；
2.研制了基于C8051F双单片机的雷达式生命探测仪后端系统软件。基
于C语言以及美国Silicon Laboratories公司提供的Cygnal IDE软件
开发系统编写了数据采集和处理程序，完成了对生命参数信号的实
时采集、处理以及显示输出；
3.设计了实验方案，完成了对系统软硬件的整体评价。采集大量的实
验数据，对系统的整体效能，如波形的实时显示、有/无人以及动/
静目标的判别等进行了评价，并给出了相应结果。
本论文的主要创新点包括：
1.提出了基于C8051F双单片机的雷达式生命探测仪后端系统设计思
想，解决了雷达式生命探测仪的小型化问题，并降低了成本。
2.实现了基于C8051F双单片机的雷达式生命探测仪后端硬件和软件
系统的研制，较好的解决了实时处理和显示问题。
关键词: 生命探测；雷达；单片机；数字信号处理；液晶显示；小型化
The Development of the Rear System of Radar-based Life-Detector Based on Double Microcontroller C8051F
Candidate for master: Wen Ting
Supervisor: Wang Jianqi
Department of Biomedical Engineering, Fourth Military Medical University,
Xi’an 710032, China
Abstract
The radar-based life-detection is that using microwave from radar to illuminate the human body without contacting it, the reflected wave of radar, which carries certain life information, is modulated by the surface movement resulting from the physical activity. With some special hardware circuits and signal processing algorithm, the life parameters, such as respiration and heartbeat rate, will be detected.
The radar-based life-detector designed by our research unit in the early time is based on personal computer as the central processing and controlling unit. The signals, after having been sampled and received by USB interface, is analyzed, processed and displayed on the computer screen by the computer. The main problem of this system in practice is not convenient to carry because of its big volume and heavy weight. In order to make up for the deficiency of this detection system, we put forward the project that LCD is used to display and the model of DSP+MCU+A/D(chip) takes place of the model of PC+A/D(card), which reduces the volume and the weight of this system. The project which puts DSP ahead of
MCU, after experimenting in this model, leads to an obvious delay in display and screen refresh, and can not display in real time.
To solve these problems mentioned above, this study put forward an improved project. The project reserves LCD, further takes the model of double MCU+A/D (chip), renew the system software. One MCU undertakes the control of the system, the other processes digital signals. It can process and display in real time, which is small in size, light in weight, low in power consumption and easy to carry, and so on, meanwhile, reduces the system structure and the cost largely.
The following research has mainly been carried out in this thesis:
1.Designed the rear system of radar-based life-detector based on MCU
C8051F120 and C8051F123 of Silicon Laboratories, and developed the
hardware platform. After having been preprocessed, the analog signals
are converted to digital signals by AD7707, and through the serial port
C8051F120 reads these signals. Use some different digital signals
processing algorithm to process them, and then the result is parallel sent
to MCU C8051F123 to display the result of whether somebody or
nobody and whether in motion or motionless, meanwhile, sent to display
the waves on the liquid crystal display.
2.Programmed the software system of the rear system of radar-based
life-detector based on double microcontroller C8051F. Based on C
language and the Cygnal IDE software developing system provided by
Silicon Labortaries, the program of data sampling and processing can be
used to sample life parameter signals, process the data and display the
result in real time.
3.Designed the scheme of experiments and evaluated the hardware circuit
and software system. Accumulated lots of experimental data , evaluated
the whole efficiency of the system, such as the display of waves in real
time, the judgment ability whether somebody or nobody and whether in
motion or motionless , and presented the results.
Main innovations in the thesis are listed below:
1.Put forward the idea of the rear system of radar-based life-detector based
on double microcontroller C8051F, solve the problem of the
miniaturization of the radar-based life-detector, and reduce the cost.
2.Accomplish the hardware circuit and the software system of the rear
system of radar-based life-detector based on double microcontroller
C8051F. Solve the problem to process and display in real time.
Key words: life-detection; radar; MCU; digital signal processing;
liquid crystal display; miniaturization
前言和文献回顾
1 生命参数探测技术简介
生命参数[1]是指人体的心律、脉搏、血压、呼吸等反映生命特征的生理指标。生命参数检测[1]，就是指利用某种机械或电子装置采用一定的方法检测到人体的生理信息，这些信息经过一定的转换，变成可以表示人体生理活动的电信号或机械信号。
人体生命参数探测可分为接触式探测和非接触式探测。接触式探测是目前主要采用的方法[2]，是指利用电极或传感器接触人体的探测部位，再经过模拟信号放大、滤波、信号处理得出人体的生理信号。采用这种方法研制的生命参数探测仪具有技术成熟、检测方法简单和仪器成本较低等优点。但是这些检测方法主要依靠附着于人体的接触式传感器、电极等来获取信息，需要直接或间接地接触人体，因而制约了其应用范围。随着现代生活水平的提高以及检测环境的特殊化、复杂化，传统的检测方法愈来愈不能满足现代生命参数检测的需要，各种非接触的检测方法应运而生，目前采用的非接触检测方法主要有光学探测法[3]、红外线探测法[3]、声波探测法[3]、人体生物电场感应法和电磁波探测法[4,5，6]等。这些方法都有各自的优缺点。由于光线、红外线和声波不能穿透较厚的障碍物，使其应用领域受到了限制。而人体生物电场感应法目前还有很大的争议，一直未得到实际应用。雷达发射的电磁波则可以在穿透一定的障碍物（非金属介质）后照射到人体，由于人体生理运动(如心跳、呼吸)会引起人体表面微动，导致人体微动与回波幅度、相位等之间具有相关性，所以其反射波中必然加载有人体的生理信息。通过对接收到的反射波信号进行滤波、检波、A/D转换、数字信号分析等处理，可以得到人体的生命信息。
本课题组在国内最早进行电磁波探测法的研究，成功研制出我国首台基于连续波的雷达式非接触生命探测仪。
2 课题立项依据
本课题组成功研制出多套基于连续波(Constant Wave,CW)雷达的非接触生命探测系统，其基本结构由五个部分组成：雷达天线、收发模块、信号预处理器、A/D转换模块、计算机。雷达天线和收发模块发射并接收信号；回波信号经预处理器放大、滤波后输出两路模拟信号（呼吸路信号和体动路信号）；经A/D转换模块转换为数字信号后发送给计算机；最后由计算机对两路数字信号进行处理、运算、识别，实时显示两路波形（呼吸和体动），并给出有/无人及动/静目标的识别结果。
本课题组前期研制的雷达式生命探测仪是基于PC机为中心处理和控制单元。这种系统虽然可以实现生命探测的功能，但由于其体积较大，重量较重，不便于携带。为了弥补这种探测系统的不足，本课题组提出了雷达式生命探测仪小型化的方案，采用液晶显示器作为显示输出设备，采用DSP+MCU+A/D[7,8]芯片模式取代PC+A/D采集卡模式。采用这种模式后的预实验表明，将DSP置于MCU前的方案，可引起系统的显示输出及屏幕刷新延迟明显，无法实时显示。
本研究将重新设计雷达式生命探测仪后端系统，研制相应的硬件平台，编写相应的系统软件，实现两路生命参数波形的实时显示、有/无人[9]和动/静目标[10]的实时判定，初步实现连续波雷达式生命探测仪的小型化。
3 技术路线
本研究的思路是将模拟信号采集、数字信号处理以及显示输出等功能由A/D芯片、两片单片机和液晶显示器实现。设计并实现一套完整的硬件模块，以及硬件模块所配套的软件系统。由于该后端系统体积小、重量轻、功耗低，能够与雷达后部雷达发射接收模块合为一体，从而使得雷达式非接触生命探
测系统真正实现小型化。
本研究由两片A/D芯片完成两路模拟信号的模数转换，分别由两片单片机执行系统的控制功能和数字信号处理功能，并控制LCD完成处理后信号的显示输出。基于C语言以及美国Silicon Laboratories公司提供的Cygnal IDE 软件开发系统编写数据采集、信号处理和控制程序。
4 国内外研究现状
非接触生命参数检测技术是伴随着生物医学工程、雷达、电子、计算机技术的发展以及军事、医学、社会的需要而产生的。有关文献[11－22]表明，国外该技术的研究主要集中在美、日、德、俄等国家，其中美国起步最早，技术也最为先进。有关雷达式非接触生命探测仪的小型化、便携式技术的报道很少见到，未见基于单片机的雷达式非接触生命探测仪小型化技术的研究方面的报道。
有资料报道，美国佐治亚技术研究所研制出了一种“手电筒式雷达”（因其外形类似手电筒而得名），可探测由于心跳或呼吸产生的人胸部的微小运动（只要隐藏者胸部有几毫米的运动就能被探测到），并具有自动识别人体功能。该系统可探测到位于水泥墙、木墙、钢门以及树丛后的人员，探测距离30～50米，穿透2～3米实体砖墙后可探测10米以内的人员目标，该装置目前只能固定使用。
本课题组在国内首先开展雷达式非接触生命参数检测技术的相关研究，在国内研究单位中处于领先地位。北京航空航天大学、南京理工大学[23]、西安电子科技大学[24－25]等也正进行这方面的研究。2005年本课题组的硕士研究生穆飞航和叶勇提出了基于单片机C8051F120控制、DSP为信号处理单元的雷达式生命探测仪后端系统的方案。开展基于双单片机的雷达式非接触生命探测仪小型化技术的研究也是本实验室在非接触生命参数检测技术上的初步探索，在国内没有相关文献的报道。
正文
1 基于C8051F双单片机的雷达式生命探测仪的总体设计
1.1 雷达式生命探测仪系统组成简介
雷达式生命探测仪由雷达天线、发射接收模块、信号预处理器、A/D转换器、计算机五个模块组成[26]。其中发射接收模块包括振荡器、定向耦合器、功率调整、环形器和混频器五个部分。系统组成单元如下图1.1所示：
图1.1 雷达式生命探测仪单元框图
雷达天线发射连续波信号，与接收到的回波信号混频后得到零差拍信号，其中包含我们所需要的目标呼吸、体动等多普勒频移信息[5]。环行器[26]主要完成收发隔离的作用，它一方面将振荡器送来的发射信号送到天线上，另一方面将天线接收到的目标散射信号送至混频器。雷达天线[26]是发送、接收信号的器件。混频器[27]是实现相关检测的器件，在本系统中，进行的是“零拍”混频。预处理[27]的目的是提高混频后的低频模拟信号的信噪比，以利于A/D
转换和后处理。通过信号预处理器后，信号经过滤波、放大，分为呼吸和体动两路模拟信号，再经A/D转换为数字信号，送入计算机，由系统软件算法对信号进行处理和分析并识别，最后给出呼吸和体动两路波形、有/无人及动/静目标的识别结果。
采用上述原理，本课题组已经设计完成了多套雷达式生命探测仪的研制与调试，如图1.2所示为部分雷达天线。
图1.2 雷达式生命探测仪使用的部分雷达天线
雷达式生命探测系统雷达前端固定在三脚架上，由数据线与主机相连，如图1.3所示为雷达式生命探测仪示意图。
图1.3 雷达式生命探测仪示意图
1.2 基于C8051F双单片机的雷达式生命探测仪设计思想的提出
雷达式生命探测仪的研制成功，填补了我国卫生装备的一项空白，标志
着我国拥有了具有自主知识产权的雷达式非接触生命探测技术。它可以探测到废墟、瓦砾、建筑物中掩埋或隐藏的人员，不仅具有明显的军事应用价值，还可以用于灾难救护、反恐斗争、传染病人监护等领域，应用前景极为广泛。
在实际应用中，现有的雷达式生命探测仪面临了一些新的问题。由于使用了计算机作为信号分析、处理、显示的终端，该系统的体积较大，重量较重，不便于携带，使其在应用中受到了一定的限制。为了达到小型化的目标，本课题组提出了用液晶显示器作为显示输出设备、用MCU+DSP+A/D芯片模式取代PC+A/D采集卡模式的方案。该方案将DSP置于MCU前，由DSP执行信号分析和处理的功能，MCU执行控制显示的功能。在预实验中发现，该系统的显示输出及屏幕刷新延迟明显，无法实时显示。经仔细分析，发现其设计上存在问题，表现在如下两个方面：
(1) 硬件方面：由于将DSP置于MCU之前，使得MCU无法控制DSP；加上数字信号处理需要在系统开始工作一定时间后才能进行，无法实时显示有关信息；
(2) 软件方面：原系统软件设计上存在不足。
针对该方案的不足，本系统保留了液晶显示器，拟采用双MCU+A/D芯片模式，由两片单片机分别执行系统的控制功能和数字信号处理功能，同时重新设计系统软件。下图1.4所示为基于双单片机的雷达式生命探测仪单元框图。
图1.4 基于双单片机的雷达式生命探测仪单元框图
1.3 面临的主要问题
从雷达式生命探测仪系统的结构上来分析：
雷达天线部分已经设计研制出多个种类，分别具有不同形状和原理，包括螺旋天线，抛物面天线，角反射天线，平板式天线，喇叭口天线和用于床边监护的微带天线等。天线的体积越来越小，性能越来越强，但天线的大小受频段制约，因此雷达式生命探测仪系统的小型化需要从其他方面着手。
预处理器已由本课题组前期研制成功，已采用模块化设计，体积小，性能稳定，所以此部分可沿用以前的设计。
因此雷达式生命探测仪小型化研究的主要任务是后端系统中信号模数转换、数字信号处理、信号显示输出和系统控制等功能模块的小型化设计。
本系统的模数转换由A/D芯片完成，拟仍采用AD公司生产的带有自校正功能的16位Σ－Δ型A/D转换芯片AD7707；系统控制拟仍采用美国Silicon Laboratories公司生产的一种兼容MCS-51内核的C8051F120单片机，改为由其直接接收A/D芯片送出的数字信号，进行简单处理后送液晶显示相关信息；主要的数字信号处理拟采用另一单片机以协处理器的模式完成，但具体选型要考虑到系统对处理速度的要求，最后还需要在后期试验中进行测试；系统的输入拟仍采用行列式键盘；系统的输出显示拟仍采用液晶显示器显示。系统软件在硬件的基础上重新设计。
1.4 性能指标要求
基于双单片机的雷达式生命探测仪后端系统的设计必须满足以下要求：（1）输入模拟信号的幅值为－5V～＋5V；
（2）输入信号增益可程控；
（3）能同时对两路信号(呼吸和体动)进行实时采样，采样率≥40Hz；
（4）能实时显示两路信号(呼吸和体动)波形；
（5）能给出有/无人及动/静目标的识别结果；
（6）系统体积小、功耗低、重量轻、操作简单。
遵循这些要求，在设计PCB的过程中，各部分采用模块化设计，尽量选用表贴元件，减少不必要的引线，以增加系统的可靠性，同时可以缩小系统的体积，减轻系统的重量。
2 硬件系统设计
2.1 硬件系统结构
基于C8051F双单片机的雷达式生命探测仪系统主要由以下几个部分组成：雷达天线、收发模块、预处理器、A/D芯片、C8051F120单片机、C8051F123单片机、液晶显示器和行列式键盘。
雷达天线和收发模块发射并接收连续波信号；回波信号经预处理器放大、滤波后输出两路模拟信号（呼吸路信号和体动路信号）；两块A/D芯片分别完成两路模拟信号（呼吸和体动信号）到数字信号的转换后，通过串行通信方式将数据传送到单片机C8051F120；单片机C8051F120对两路信号进行初步的数字信号处理后，控制LCD完成实时显示两路信号的波形，同时将信号并行传输给单片机C8051F123；单片机C8051F123对两路数字信号进行处理，给出有/无人及动/静目标的识别结果；由单片机C8051F120和行列式键盘完成对整个系统的控制。图2.1所示为硬件系统组成框图。
图2.1 基于C8051F双单片机的雷达式生命探测仪硬件系统组成框图
2.2 主要器件的选择
2.2.1 MCU的选择
2.2.1.1 MCU简介
目前，计算机硬件技术向巨型化、微型化和单片三个方向高速发展。自1975年美国德克萨斯仪器公司(Texas Instruments)第一块单片微型计算机(简称单片机)芯片TMS—1000问世以来，在短短的20余年间，单片机技术已发展成为计算机技术一个非常有前途的分支，它具有体积小、个性突出（某些方面的性能指标大大优于通用微机中央处理器）、价格低廉等特点，应用领域不断扩大，除了工业控制、智能化仪表、通讯、家用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件。
在通用微机中央处理器基础上，将必要的输入/输出接口电路、时钟发生器以及一定容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯片内，因此称为单片微控制器(Single-Chip-Microcontroller,简称单片机)或微控制单元（Microcontroller Unit,简称MCU）[28]。
对于通用微处理器来说，其主要任务是数值计算和信息处理，对运算速度和存储容量方面的要求是速度越快越好，容量越大越好，因此它沿着高速、大容量方向发展。而单片机主要面向工业控制，单片机的主要发展方向是不断强化控制功能（即将更多的外围电路单元集成到CPU内）、低功耗（以便电池供电）、低成本（例如在CPU芯片内，按用途分别集成不同的外围电路，形成系列化产品，这样既能满足不同应用领域的需要，又降低了成本）。
单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活、强大的控制功能，以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出量，实现自动控制。由于单片机主要面向工业控制，工
作环境比较恶劣，如高温、强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力，因而决定了单片机CPU与通用微机CPU具有不同的技术特征和发展方向：
（1）抗干扰性强，工作温度范围宽。通用微机CPU一般要求在室温下工作，抗干扰能力也较低。
（2）可靠性高。在工业控制中，任何差错都有可能造成及其严重的后果。
（3）控制功能往往很强，数值计算能力较差。而通用微机CPU具有很强的数值运算能力，但控制能力相对较弱，将通用微机用于工业控制时，一般需要增加一些专用的接口电路。
（4）指令系统比通用微机指令系统简单。
基于C8051F双单片机的雷达式生命探测仪后端系统中，系统控制和数字信号处理模块均采用以CIP-51为内核的新一代8位单片机芯片单片机来实现，这种单片机的片内存储器容量大，指令执行时间短，系统功耗低，强化了电磁兼容性设计，内置定时复位监控电路，提高了应用系统的可靠性。2.2.1.2 单片机C8051F120和C8051F123简介
C8051F系列单片机[29]为CIP-51处理器，在指令集上与传统MCS-51完全兼容；然而在系统架构、外围设备等方面有了很大的改进，使得集成度更高，运行速度更快。C8051F120和C8051F123 具有以下特点：
(1)具有高速8051微控制器内核，采用了流水线处理构架，不再分系统时钟和机器周期。指令直接按照系统时钟执行，而且70﹪的指令只需1～2个系统时钟即可完成。只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟，其中除法运算最耗时（集成2周期16×16乘法器），占用8个系统时钟。按系统时钟25MHz计算，大部分指令(4个系统时钟以内)可在160ns内完成。而且在执行当前指令时，还可以部分处理下一条指令，从而使得有些指令执行时间不是很确定。使用内部集成的PPL（锁相环）时，达到最大系统时钟频率100MHz，
峰值性能可达100MIPS，比普通的51快40倍；
(2)集成了JTAG调试电路，支持在系统、全速、非侵入式在线调试和编程（无需仿真器），不占用片内资源，支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，可以观察/修改存储器和寄存器，比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更好的性能，完全符合国际电子电器委员会制定的边界扫描标准；
(3) 集成了8448字节内部数据RAM（256+8KB）和128KB分区FLASH，可以在系统编程，外部64KB数据存储器接口，8个8位宽I/O端口(C8051F123为4个)，所有接口线均耐5V电压，可同时使用的硬件SMBus、SPI及2个UART串行端口，可编程的16位计数器/定时器阵列，有6个捕捉比较模块，5个通用16位计数器/定时器，专用的看门狗定时器，具有双向复位引脚，12位100ksps可编程增益ADC(C8051F123为10位)，8通道8位500ksps可编程增益ADC，2个12位DAC，2路模拟比较器，内部电压基准，片内电源监视，欠压检测，看门狗，内部精确振荡器(24.5MHz),可接外部振荡器；
(4) 供电电压为2.7伏-3.6伏，在时钟频率为100Mhz的情况下其典型工作电流只有50mA，有2种电源管理模式(休眠态和停止态)；
(5) 额定工作温度范围：-40℃ — +85℃。
由于C8051F120和C8051F123的高集成度，避免了外扩ROM、RAM、A/D、D/A、Watchdog、可编程I/O口、EEPROM（用片内Flash实现）等，简化了硬件电路的设计，也提高了系统的可靠性；采用TQFP100(C8051F123为TQFP64)贴片封装，大大地节省了电路板的面积；采用高速8051微控制器内核，提升了系统的整体性能，使其完成本系统的数字信号处理任务成为可能。下图2.2所示为单片机C8051F120和C8051F123原理组成结构图。
图2.2 单片机C8051F120和C8051F123原理组成结构图
2.2.1.3 数字信号处理技术简介
数字信号处理[30]是一门涉及许多学科而又广泛应用于诸多领域的新兴学科。随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速发展，在过去的二十多年里，数字信号处理已经在通信、图形图像处理、语音信号处理、军事、自动控制、医疗仪器等领域得到极为广泛的应用。
数字信号处理的实现方法一般有以下几种：
（1）在通用计算机（如PC）上用软件（如C语言）实现；
（2）在通用计算机系统中加上专用的处理机实现；
（3）用通用的单片机（如MCS-51、96系列）实现；