基于FPGA+DSP的雷達高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

     摘要：激光雷達的發(fā)射波及回波信號經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換形成的電信號具有脈寬窄，幅度低，背景噪聲大等特點，對其進行低速數(shù)據(jù)采集存在數(shù)據(jù)精度不高等問題。同時，A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)字信號處理器直接連接會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不及時，影響系統(tǒng)可靠性、實時性。針對激光雷達回撥信號，提出基于FPGA與DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用FPGA內(nèi)部的異步FIFO和DCM實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器與DSP的高速外部存儲接口（EMIF）之間的數(shù)據(jù)傳輸。介紹了ADC外圍電路、工作時序以及DSP的EMIF的設(shè)置參數(shù)，并對異步FIFO數(shù)據(jù)讀寫進行仿真，結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)詳細地分析設(shè)計應(yīng)注意的問題。系統(tǒng)采樣率為30 MHz，采樣精度為12位。

　　0 引言

　　隨著雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，需要高速采集雷達回波信號。然而激光雷達的發(fā)射波及回波信號經(jīng)光電器件轉(zhuǎn)換后，形成的電信號脈寬窄，幅度低，而且背景噪聲大，如采用低速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集，存在數(shù)據(jù)精度不高等問題。同時，為避免數(shù)據(jù)傳輸不及時，發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，影響系統(tǒng)的可靠性和實時性，需設(shè)計開發(fā)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　設(shè)計中針對前端輸出約-25～25 mV，帶寬為20 MHz的信號，采用高帶寬，低噪聲，高數(shù)據(jù)傳輸率，高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD9235；利用XC2V250內(nèi)部的大小為6 KB的異步FIFO實現(xiàn)AD9235轉(zhuǎn)換器與TMS320C6201間的高速數(shù)據(jù)傳輸。采集系統(tǒng)的采樣率為30 MHz，分辨率為12位，內(nèi)部異步緩存FIFO為6 KB，滿足高速數(shù)據(jù)采集要求。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　如果A／D直接與DSP的外部存儲接口EMIF連接，會使DSP的負荷過重，另一方面DSP還需擴展外設(shè)，與采樣輸入共用一條外部總線，進行外部設(shè)備的讀寫，不允許數(shù)據(jù)采集始終占用外部總線。如果不能及時接收數(shù)據(jù)，上次存儲的數(shù)據(jù)會被覆蓋，造成數(shù)據(jù)丟失。異步FIFO能實現(xiàn)不同時鐘域的數(shù)據(jù)傳輸，可將它作為A／D轉(zhuǎn)換器和EMIF之間的橋梁，每寫入一塊數(shù)據(jù)，便通知EMIF從FIFO取走數(shù)據(jù)?；谝陨戏治觯瑘D1為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　FPGA內(nèi)部DCM為A／D轉(zhuǎn)換器和DSP提供采樣時鐘和外部振蕩源，A／D轉(zhuǎn)換器與DSP工作在不同時鐘，在FPGA內(nèi)部生成一個異步FIFO作為數(shù)據(jù)傳輸緩存。A／D轉(zhuǎn)換器把采樣值寫入FIFO，F(xiàn)IFO寫使能WR_EN一直有效，系統(tǒng)上電后，A／D轉(zhuǎn)換器一直處于工作狀態(tài)，每寫入一塊數(shù)據(jù)便向DSP發(fā)出中斷信號，在中斷中讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。FIFO輸入數(shù)據(jù)寬度12位，輸出數(shù)據(jù)寬度為24位，F(xiàn)IFO讀時鐘高于寫時鐘，DSP讀取數(shù)據(jù)比A／D向FIFO寫數(shù)據(jù)快，而且DSP內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時間較快，可保證系統(tǒng)高速實時采集。

　　2 A／D轉(zhuǎn)換電路

　　A／D轉(zhuǎn)換電路是整個系統(tǒng)的重要組成部分。對前端輸出約-25～25 mV，帶寬為20 MHz的射頻信號數(shù)字化，設(shè)計采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片AD9235，最大采樣率40 Mb／s，12 bit數(shù)據(jù)輸出，信噪比RSN=70 dB。AD9235是差分輸入，單端信號輸入需要A／D驅(qū)動芯片，選用低失真差分A／D驅(qū)動芯片AD8138，圖2為A／D轉(zhuǎn)換電路，AD9235模擬輸入設(shè)置在2VPP，參考電壓VREF采用內(nèi)部1 V參考電壓，同時還作為驅(qū)動芯片AD8138的共模電壓。利用AD8138對輸入信號進行放大，放大倍數(shù)RF／RG=2．49 kΩ／820 Ω≈3。因此，經(jīng)過AD8138單端差分轉(zhuǎn)換及放大輸入信號范圍為25～175 mV。

圖2 A／D轉(zhuǎn)換電路

　　3 FPGA接口設(shè)計

　　3．1 時鐘設(shè)計

　　采用30 MHz外部晶振作為整個系統(tǒng)的時鐘源，利用XCV250內(nèi)部的時鐘管理器DCM，分別為AD9235、異步FIFO、TMS320C6201提供時鐘源。  DCM輸出CLK0的30 MHz時鐘作為AD9235采樣時鐘和異步FIFO的寫周期WR_CLK。

　　利用DCM數(shù)字頻率合成器輸出CLKFX作為TMS320C6201的時鐘源。公式：DCM輸出CLKFX的頻率=輸入時鐘CLKIN的頻率×(M／D)，取M／D=5／3。這樣DCM為TMS320C6201提供50 MHz時鐘，經(jīng)過4倍頻，DSP系統(tǒng)時鐘為200 MHz，外部存儲EMIF時鐘CLKOUT1為200 MHz。設(shè)置CE0空間控制寄存器的參數(shù)，使FIFO讀時序SETUP、HOLD等于一個CLKOUT1周期，STROPE等于兩個CLKOUT1周期，讀時序如圖3所示，讀第一個數(shù)時，EMIF會自動維護最小2個時鐘周期的建立時間，后續(xù)數(shù)據(jù)讀取，建立時間為1個時鐘周期。FIFO讀時鐘周期約為50 MHz，比A／D向FIFO寫數(shù)據(jù)時間快，保證系統(tǒng)實時采集。

圖3 讀FIFO數(shù)據(jù)時序

　　3．2 異步FIFO接口時序

　　AD9235與FPGA接口設(shè)計應(yīng)仔細考慮ADC轉(zhuǎn)換時鐘、FIFO寫時鐘及所選中間邏輯器件的時序和延時特性，以保證正確地設(shè)置采樣時鐘。AD-9235的采樣數(shù)據(jù)在延時7個采樣周期后出現(xiàn)在數(shù)據(jù)線上，圖4為A／D與FIFO接口時序。

圖4 A／D與FIFO接口時序

　　讀FIFO操作，利用EMIF外部存儲器的控制信號，包含有：輸出使能位和讀使能以及外部空間片選信號。讀寫時序如圖3，輸出使能和外部空間片選信號低時，異步FIFO讀使能RD_EN有效，當讀使能位為低時，待讀出的數(shù)據(jù)進行初始化，隨后會跳變?yōu)楦唠娖?，異步RD_CLK端產(chǎn)生上升沿，此時異步FIFO中數(shù)據(jù)被讀出。圖1中的HALF_FULL位直接與TMS320C6201外部存儲區(qū)域中斷EXT-INT5觸發(fā)連接，當FIFO緩存達到半滿時，上升沿觸發(fā)DSP外部中斷，DSP啟動DMA(直接數(shù)據(jù)存儲)以突發(fā)方式讀取FIFO數(shù)據(jù)，在時鐘CLOCKOUT1下讀取FIFO存儲數(shù)據(jù)。EMIF與FIFO的讀邏輯關(guān)系為；。

　　圖5為異步FIFO仿真圖，輸入數(shù)據(jù)寬度12位，輸出數(shù)據(jù)寬度為24位。讀時鐘為50置MHz，寫時鐘為30 MHz。

和讀使能以及外部空間片選信號。讀寫時序如圖3，輸出使能和外部空間片選信號低時，異步FIFO讀使能RD_EN有效，當讀使能位為低時，待讀出的數(shù)據(jù)進行初始化，隨后會跳變?yōu)楦唠娖?，異步RD_CLK端產(chǎn)生上升沿，此時異步FIFO中數(shù)據(jù)被讀出。圖1中的HALF_FULL位直接與TMS320C6201外部存儲區(qū)域中斷EXT-INT5觸發(fā)連接，當FIFO緩存達到半滿時，上升沿觸發(fā)DSP外部中斷，DSP啟動DMA(直接數(shù)據(jù)存儲)以突發(fā)方式讀取FIFO數(shù)據(jù)，在時鐘CLOCKOUT1下讀取FIFO存儲數(shù)據(jù)。EMIF與FIFO的讀邏輯關(guān)系為；。

　　圖5為異步FIFO仿真圖，輸入數(shù)據(jù)寬度12位，輸出數(shù)據(jù)寬度為24位。讀時鐘為50置MHz，寫時鐘為30 MHz。

圖5 異步FIFO仿真圖

　　4 設(shè)計應(yīng)注意問題

　　若用異步FIFO中的FULL信號作為中斷源，滿信號位FULL有效，觸發(fā)DMA開始傳輸，在滿信號和DMA傳輸之間，A／D采集時鐘仍然驅(qū)動A／D轉(zhuǎn)換器，會覆蓋之前存儲的采集數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟失；若采用HALF-FULL信號作信號標志位，半滿時候，開始DMA傳輸，不用中斷數(shù)據(jù)采集，由于A／D寫入速度低于EMIF讀出速度，也不會造成數(shù)據(jù)覆蓋。

　　FPGA內(nèi)部的異步FIFO數(shù)據(jù)總線與TMS320C6201的數(shù)據(jù)總線相連，應(yīng)注意數(shù)據(jù)采集與TMS320C6201訪問外設(shè)間的總線沖突。應(yīng)保證沒有長時間占用數(shù)據(jù)總線的外部設(shè)備，否則造成采集數(shù)據(jù)丟失。

　　5 結(jié)論

　　針對雷達的回波信號，設(shè)計基于FPGA與DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，介紹了雷達前端信號A／D外圍轉(zhuǎn)換電路，利用DCM和異步FIFO實現(xiàn)ADC與高速DSP間的數(shù)據(jù)緩沖，以保證采集數(shù)據(jù)的有效傳輸。系統(tǒng)采樣率為30 MHz，采樣精度為12位，異步存儲緩沖FIFO大小為6 kbits，能較好地滿足高速采集要求。FIFO與DSP采用24位數(shù)據(jù)接口，讀取FIFO采用DMA數(shù)據(jù)傳輸，較充分利用DSP資源，提高了系統(tǒng)實時處理的能力。