基于ZYNQ的毫米波雷達高速數據采集系統設計

陳廣和 周志權 趙宜楠 趙占鋒

摘? 要： 隨著毫米波射頻傳感器在工藝上的突破，毫米波雷達在行業中的應用越來越廣泛。為了實現毫米波雷達的高速數據采集，提出一種基于ZYNQ的毫米波雷達高速數據采集系統。該系統面向AWR1243毫米波雷達，基于ZYNQ構建，利用PL和PS軟硬件協同工作的靈活性實現雷達自主可控、雷達2.4 Gb/s高速CSI2數據解析以及千兆以太網數據上傳功能。實驗結果表明，該系統運行穩定，千兆以太網數據上傳速率高達350 Mb/s，丟幀率為零，并且能滿足實時性要求。有效解決了已有采集系統成本高、體積大、功能單一、實時性差等問題，為自動駕駛、無人機避障、手勢識別等應用提供了一套低成本、小體積、易操作的數據采集系統。

關鍵詞： 毫米波雷達; 高速數據采集; 數據解析; 數據上傳; 雷達自主控制; 自動駕駛

中圖分類號： TN957?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）16?0026?04

0? 引? 言

隨著世界各國的汽車安全標準、汽車電子化水平不斷提高以及人們對駕駛安全需求不斷增長，具備主動安全技術的ADAS系統呈現快速發展的勢頭，核心零部件的毫米波雷達市場需求也進入了快速上升通道[1?2]。2017年5月16日，德州儀器（TI）全球同步發布了AWR和IWR兩個系列毫米波雷達傳感器，面向汽車領域和工業領域[3]。其中，AWR1243主要應用于自適應巡航控制、高速公路自動駕駛。目前，由于新一代毫米波雷達出現時間較短、技術復雜、雷達速率高等因素，毫米波雷達數據采集卡主要從國外進口。市場上的數據采集卡存在成本高、體積大、不能實時傳輸、功能單一等問題。此外，由于各方面因素，部分型號采集卡對國內處于禁售狀態。與其他傳感器相比，毫米波雷達具備高精度、抗干擾、全天候工作等特性，在自動駕駛、無人機避障、手勢識別等領域具有廣泛應用，毫米波雷達數據采集需求日益增加[4]。

目前，毫米波雷達數據采集系統主要基于FPGA架構，系統復雜、靈活性差、開發維護困難[5?6]。市場上的數據采集系統主要基于以下兩種設計方案：方案一采用FPGA接收雷達LVDS數據，緩存在DDR中，通過SPI接口上傳緩存數據;方案二采用FPGA接收雷達LVDS數據，通過UDP協議上傳雷達數據。一方面，方案一采集時間受限于緩存空間大小，數據傳輸速率低，不能實時傳輸;方案二雖然可以實時傳輸雷達數據，但是FPGA實現網絡協議較為復雜，開發維護困難，且UDP協議傳輸不可靠，容易出現丟幀問題。另一方面，TI毫米波雷達支持相機串行接口（Camera Serial Interface?2，CSI2）數據輸出格式，在高速數據傳輸方面，CSI2相比LVDS具有更好的可靠性和穩定性。相比于FPGA+ARM，FPGA+DSP的復雜架構，Xilinx推出的ZYNQ?7000系列全可編程片上系統（System?on?Chip，SoC）采用先進的雙核異構架構，集成FPGA和ARM，為整個系統的設計提供了更高的性能和更好的可擴展性[7]。針對以上問題，本文利用ZYNQ軟硬件協同工作的特性，提出了基于ZYNQ的高速數據采集方案。該系統采用TC358748XBG芯片將CSI2數據轉換成RGB888視頻流接到FPGA端，通過視頻直接內存存取（Video Direct Memory Access，VDMA）技術將數據搬運到ARM，緩存到DDR3中，通過千兆以太網和TCP協議將雷達數據上傳到PC，滿足數據傳輸的實時性和可靠性[8]。

1? 系統總體設計

毫米波雷達采用四通道CSI2接口對外輸出高速數據，CSI2時鐘頻率高達600 MHz，因此高速數據波特率高達2.4 Gb/s。雷達數據輸出的平均速率由雷達參數決定，由于雷達不是滿占空比工作，存在大量空余時間間隙，在320 Mb/s的平均輸出速率下可滿足絕大部分雷達參數設計要求。根據功能和原理，將系統分為5個模塊：雷達參數控制模塊、CSI2數據解析模塊、VDMA數據搬運模塊、DDR3數據緩存模塊、千兆以太網數據傳輸模塊。總體框架如圖1所示。

處理系統（Processing System，PS）通過SPI接口發送控制指令配置AWR1243毫米波雷達參數并啟動雷達工作，雷達通過CSI2接口對外輸出高速數據流，通過TC358748XBG協議轉換芯片將CSI2數據轉換成RGB888視頻流傳輸給可編程邏輯（Progarmmable Logic，PL），通過Video In To AXI4?Stream IP將RGB888視頻流轉換成AXI4?Stream數據流傳輸給VDMA IP，VDMA將數據從PL搬運到PS，緩存在DDR3中，并觸發VDMA中斷，ARM響應中斷啟動千兆以太網數據傳輸。

2? 系統主要模塊設計

2.1? 雷達參數控制模塊

AWR1243是一款集成式單芯片調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）收發器，工作頻段為76～81 GHz，基于TI的低功耗45 nm RFCMOS工藝，內置混頻器、功放、PLL和ADC轉換器，將傳統雷達分立器件集成到單芯片內，外部處理器可通過SPI接口控制雷達各個參數，如調頻斜率、采樣率、采樣點數等[9]。本系統中，雷達設備與ARM處理器之間的SPI通信協議，主要通過13個過程實現：雷達上電、內部固件校驗、射頻使能、基本參數配置、射頻初始化、Profile參數配置、Chirp參數配置、雷達數據格式配置、CSI2時鐘配置、CSI2傳輸通道配置、Frame參數配置、雷達開始工作、雷達停止工作。雷達復位后，外部主控開始向雷達發送配置指令，隨后等待雷達HIRQ高電平信號，HIRQ置高后外部主控發送讀指令，隨后等待HIRQ置低，HIRQ置低后外部主控讀取返回數據，若校驗通過則結束配置任務，若校驗未通過則啟動重傳機制，超過設定重傳次數后報錯。指令配置流程如圖2所示。

2.2? CSI2數據解析模塊

PS通過SPI接口配置雷達工作后，Radar開始對外輸出CSI2數據流。CSI2數據流中包含短包、長包兩種數據類型，長包裝載雷達數據，短包分為幀起始（Frame Start，FS）、幀結束（Frame End，FE）、行起始（Line Start，LS）、行結束（Line End，LE）四種同步數據包。當TC358748XBG接收到FS后，幀有效Vvalid信號置高，接收到LE后Vvalid置低。接收到LS并且內部FIFO計數達到設定值后行有效信號Hvalid置高，同時并口數據有效，接收到LE并且FIFO清空后Hvalid置低。其信號時序如圖3所示。

PS通過I2C接口可以配置TC358748XBG內部各個寄存器。雷達輸出數據波特率為2.4 Gb/s，因此配置TC358748XBG輸出時鐘為100 MHz，數據輸出模式為RGB888，滿足數率傳輸要求。

2.3? 數據搬運及存儲模塊

PL與PS進行高速數據交互有DataMover，DMA，VDMA等方式。其中，VDMA主要是用于圖像視頻傳輸，其本質上是一個數據搬運IP，為數據進、出DDR3提供了一種便捷的方案，使視頻流能夠高帶寬直接接入內存，是高效的二維DMA 操作。系統中TC358748XBG將CSI2數據轉換成RGB888視頻流接到PL端，因此考慮采用VDMA方式進行數據搬運。由于VDMA要求輸入數據格式是AXI?Stream類型的數據流，因此需要將RGB888數據轉換成AXI?Stream，通過調用Video In to AXI4?Stream IP來實現數據流轉換。將雷達數據轉換成AXI4?Stream數據流后傳輸給VDMA，由于數據傳輸方向為從PL到PS，因此只需要開啟S2MM寫通道[10]。在ARM端開啟VDMA中斷并使能VDMA傳輸，進而將雷達數據緩存到DDR3。數據搬運流程如圖4所示。

2.4? 千兆以太網數據傳輸模塊

數據傳輸由雷達參數下發、應答同步、雷達數據上傳三部分組成。在ARM端建立TCP服務器，接收到VDMA中斷后啟動數據傳輸。由于以太網發送緩沖區大小最大為65 535 B，而雷達數據幀通常大于65 535 B，因此需要將數據幀分組傳送。為了保證數據幀傳輸的完整性，TCP客戶端需要在接收到每一分組包之后需要返回一個應答“0xAA”，服務器在接收到應答后繼續上傳下一分組包，直至該幀數據傳輸完成。除了傳輸雷達數據外，還附加了一些額外信息，包括該數據幀的采樣率、采樣點數、Chirp個數、調頻斜率和當前幀編號。通信數據幀格式如圖5所示。

3? 系統軟件流程

系統初始化完成后，等待上位機下發的雷達波形參數，接收到參數數據包后啟動雷達工作，雷達對外輸出CSI2高速數據，系統開始等待VDMA中斷。數據流經一系列轉換后進入DRR3中，當一幀數據傳輸完成后觸發VDMA中斷，系統開始將數據幀進行分包上傳，接收到應答后繼續上傳下一分組包，直至該幀所有分組包傳輸完成。系統軟件流程如圖6所示。

4? 系統測試

為了驗證雷達數據采集系統功能，進行不同傳輸速率測試實驗。測試平臺由AWR1243雷達前端、高速數據采集系統、PC上位機組成。硬件系統如圖7所示，上位機數傳界面如圖8所示。

通過數傳界面下發不同的雷達配置參數，逐次增加雷達數據輸出速率大小，數據傳輸速率測試結果如表1所示。由于上傳數據包包含了該幀的配置信息，因此實際速率比雷達數據輸出速率高。測試結果表明，數據采集系統數據上傳速率高達350 Mb/s。在雷達不同的數據輸出速率下，數據采集系統數據傳輸穩定、實時性好、數據丟幀率為0，滿足設計指標。

TI官方標準采集設備TSW1400采用DDR緩存雷達數據，支持最大采樣時間為10 s，存儲深度為1 GB，數據上傳速率僅為7～8 Mb/s，數據采集時間和上傳速率受限，遠遠不能滿足實際需求。與標準采集設備相比，本數據采集系統支持數據不間斷采集和實時上傳。

5? 結? 語

本文基于ZYNQ平臺提出了一套適用于TI 毫米波雷達AWR1243的高速數據采集系統，該系統通過SPI2接口發送參數指令控制雷達系統的各個參數，將雷達CSI2高速數據流轉換成RGB888視頻流，以VDMA方式搬運到DDR3中，最終通過千兆以太網完成數據上傳功能。測試表明，系統CSI2高速速率為2.4 Gb/s，千兆以太網數據上傳速率為350 Mb/s，數據丟幀率為零，滿足實際需求。該系統小型便攜，易于安裝和使用，適用于自動駕駛、無人機避障、手勢識別等領域，具有較高的實用價值。

注：本文通訊作者為周志權。

參考文獻

[1] 張翔.2014年汽車ADAS技術的最新進展[J].汽車電器，2014（8）：4?7.

ZHANG Xiang. The latest development of automotive ADAS technology in 2014 [J]. Automotive electrical appliances， 2014（8）： 4?7.

[2] 王家恩.基于視覺的駕駛員橫向輔助系統關鍵技術研究[D].合肥：合肥工業大學，2013.

WANG Jiaen. Research on key technologies of driver?based horizontal auxiliary system based on vision [D]. Hefei： Hefei University of Technology， 2013.

[3] 單祥茹.一款毫米波傳感器，TI為業界帶來諸多驚喜[J].中國電子商情（基礎電子），2017（6）：16?17.