基于ZYNQ的毫米波雷达高速数据采集系统设计

陈广和 周志权 赵宜楠 赵占锋

摘  要： 随着毫米波射频传感器在工艺上的突破，毫米波雷达在行业中的应用越来越广泛。为了实现毫米波雷达的高速数据采集，提出一种基于ZYNQ的毫米波雷达高速数据采集系统。该系统面向AWR1243毫米波雷达，基于ZYNQ构建，利用PL和PS软硬件协同工作的灵活性实现雷达自主可控、雷达2.4 Gb/s高速CSI2数据解析以及千兆以太网数据上传功能。实验结果表明，该系统运行稳定，千兆以太网数据上传速率高达350 Mb/s，丢帧率为零，并且能满足实时性要求。有效解决了已有采集系统成本高、体积大、功能单一、实时性差等问题，为自动驾驶、无人机避障、手势识别等应用提供了一套低成本、小体积、易操作的数据采集系统。

关键词： 毫米波雷达; 高速数据采集; 数据解析; 数据上传; 雷达自主控制; 自动驾驶

中图分类号： TN957?34                           文献标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2019）16?0026?04

0  引  言

随着世界各国的汽车安全标准、汽车电子化水平不断提高以及人们对驾驶安全需求不断增长，具备主动安全技术的ADAS系统呈现快速发展的势头，核心零部件的毫米波雷达市场需求也进入了快速上升通道[1?2]。2017年5月16日，德州仪器（TI）全球同步发布了AWR和IWR两个系列毫米波雷达传感器，面向汽车领域和工业领域[3]。其中，AWR1243主要应用于自适应巡航控制、高速公路自动驾驶。目前，由于新一代毫米波雷达出现时间较短、技术复杂、雷达速率高等因素，毫米波雷达数据采集卡主要从国外进口。市场上的数据采集卡存在成本高、体积大、不能实时传输、功能单一等问题。此外，由于各方面因素，部分型号采集卡对国内处于禁售状态。与其他传感器相比，毫米波雷达具备高精度、抗干扰、全天候工作等特性，在自动驾驶、无人机避障、手势识别等领域具有广泛应用，毫米波雷达数据采集需求日益增加[4]。

目前，毫米波雷达数据采集系统主要基于FPGA架构，系统复杂、灵活性差、开发维护困难[5?6]。市场上的数据采集系统主要基于以下两种设计方案：方案一采用FPGA接收雷达LVDS数据，缓存在DDR中，通过SPI接口上传缓存数据;方案二采用FPGA接收雷达LVDS数据，通过UDP协议上传雷达数据。一方面，方案一采集时间受限于缓存空间大小，数据传输速率低，不能实时传输;方案二虽然可以实时传输雷达数据，但是FPGA实现网络协议较为复杂，开发维护困难，且UDP协议传输不可靠，容易出现丢帧问题。另一方面，TI毫米波雷达支持相机串行接口（Camera Serial Interface?2，CSI2）数据输出格式，在高速数据传输方面，CSI2相比LVDS具有更好的可靠性和稳定性。相比于FPGA+ARM，FPGA+DSP的复杂架构，Xilinx推出的ZYNQ?7000系列全可编程片上系統（System?on?Chip，SoC）采用先进的双核异构架构，集成FPGA和ARM，为整个系统的设计提供了更高的性能和更好的可扩展性[7]。针对以上问题，本文利用ZYNQ软硬件协同工作的特性，提出了基于ZYNQ的高速数据采集方案。该系统采用TC358748XBG芯片将CSI2数据转换成RGB888视频流接到FPGA端，通过视频直接内存存取（Video Direct Memory Access，VDMA）技术将数据搬运到ARM，缓存到DDR3中，通过千兆以太网和TCP协议将雷达数据上传到PC，满足数据传输的实时性和可靠性[8]。

1  系统总体设计

毫米波雷达采用四通道CSI2接口对外输出高速数据，CSI2时钟频率高达600 MHz，因此高速数据波特率高达2.4 Gb/s。雷达数据输出的平均速率由雷达参数决定，由于雷达不是满占空比工作，存在大量空余时间间隙，在320 Mb/s的平均输出速率下可满足绝大部分雷达参数设计要求。根据功能和原理，将系统分为5个模块：雷达参数控制模块、CSI2数据解析模块、VDMA数据搬运模块、DDR3数据缓存模块、千兆以太网数据传输模块。总体框架如图1所示。

处理系统（Processing System，PS）通过SPI接口发送控制指令配置AWR1243毫米波雷达参数并启动雷达工作，雷达通过CSI2接口对外输出高速数据流，通过TC358748XBG协议转换芯片将CSI2数据转换成RGB888视频流传输给可编程逻辑（Progarmmable Logic，PL），通过Video In To AXI4?Stream IP将RGB888视频流转换成AXI4?Stream数据流传输给VDMA IP，VDMA将数据从PL搬运到PS，缓存在DDR3中，并触发VDMA中断，ARM响应中断启动千兆以太网数据传输。

2  系统主要模块设计

2.1  雷达参数控制模块

AWR1243是一款集成式单芯片调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）收发器，工作频段为76～81 GHz，基于TI的低功耗45 nm RFCMOS工艺，内置混频器、功放、PLL和ADC转换器，将传统雷达分立器件集成到单芯片内，外部处理器可通过SPI接口控制雷达各个参数，如调频斜率、采样率、采样点数等[9]。本系统中，雷达设备与ARM处理器之间的SPI通信协议，主要通过13个过程实现：雷达上电、内部固件校验、射频使能、基本参数配置、射频初始化、Profile参数配置、Chirp参数配置、雷达数据格式配置、CSI2时钟配置、CSI2传输通道配置、Frame参数配置、雷达开始工作、雷达停止工作。雷达复位后，外部主控开始向雷达发送配置指令，随后等待雷达HIRQ高电平信号，HIRQ置高后外部主控发送读指令，随后等待HIRQ置低，HIRQ置低后外部主控读取返回数据，若校验通过则结束配置任务，若校验未通过则启动重传机制，超过设定重传次数后报错。指令配置流程如图2所示。

2.2  CSI2数据解析模块

PS通过SPI接口配置雷达工作后，Radar开始对外输出CSI2数据流。CSI2数据流中包含短包、长包两种数据类型，长包装载雷达数据，短包分为帧起始（Frame Start，FS）、帧结束（Frame End，FE）、行起始（Line Start，LS）、行结束（Line End，LE）四种同步数据包。当TC358748XBG接收到FS后，帧有效Vvalid信号置高，接收到LE后Vvalid置低。接收到LS并且内部FIFO计数达到设定值后行有效信号Hvalid置高，同时并口数据有效，接收到LE并且FIFO清空后Hvalid置低。其信号时序如图3所示。

PS通过I2C接口可以配置TC358748XBG内部各个寄存器。雷达输出数据波特率为2.4 Gb/s，因此配置TC358748XBG输出时钟为100 MHz，數据输出模式为RGB888，满足数率传输要求。

2.3  数据搬运及存储模块

PL与PS进行高速数据交互有DataMover，DMA，VDMA等方式。其中，VDMA主要是用于图像视频传输，其本质上是一个数据搬运IP，为数据进、出DDR3提供了一种便捷的方案，使视频流能够高带宽直接接入内存，是高效的二维DMA 操作。系统中TC358748XBG将CSI2数据转换成RGB888视频流接到PL端，因此考虑采用VDMA方式进行数据搬运。由于VDMA要求输入数据格式是AXI?Stream类型的数据流，因此需要将RGB888数据转换成AXI?Stream，通过调用Video In to AXI4?Stream IP来实现数据流转换。将雷达数据转换成AXI4?Stream数据流后传输给VDMA，由于数据传输方向为从PL到PS，因此只需要开启S2MM写通道[10]。在ARM端开启VDMA中断并使能VDMA传输，进而将雷达数据缓存到DDR3。数据搬运流程如图4所示。

2.4  千兆以太网数据传输模块

数据传输由雷达参数下发、应答同步、雷达数据上传三部分组成。在ARM端建立TCP服务器，接收到VDMA中断后启动数据传输。由于以太网发送缓冲区大小最大为65 535 B，而雷达数据帧通常大于65 535 B，因此需要将数据帧分组传送。为了保证数据帧传输的完整性，TCP客户端需要在接收到每一分组包之后需要返回一个应答“0xAA”，服务器在接收到应答后继续上传下一分组包，直至该帧数据传输完成。除了传输雷达数据外，还附加了一些额外信息，包括该数据帧的采样率、采样点数、Chirp个数、调频斜率和当前帧编号。通信数据帧格式如图5所示。

3  系统软件流程

系统初始化完成后，等待上位机下发的雷达波形参数，接收到参数数据包后启动雷达工作，雷达对外输出CSI2高速数据，系统开始等待VDMA中断。数据流经一系列转换后进入DRR3中，当一帧数据传输完成后触发VDMA中断，系统开始将数据帧进行分包上传，接收到应答后继续上传下一分组包，直至该帧所有分组包传输完成。系统软件流程如图6所示。

4  系统测试

为了验证雷达数据采集系统功能，进行不同传输速率测试实验。测试平台由AWR1243雷达前端、高速数据采集系统、PC上位机组成。硬件系统如图7所示，上位机数传界面如图8所示。

通过数传界面下发不同的雷达配置参数，逐次增加雷达数据输出速率大小，数据传输速率测试结果如表1所示。由于上传数据包包含了该帧的配置信息，因此实际速率比雷达数据输出速率高。测试结果表明，数据采集系统数据上传速率高达350 Mb/s。在雷达不同的数据输出速率下，数据采集系统数据传输稳定、实时性好、数据丢帧率为0，满足设计指标。

TI官方标准采集设备TSW1400采用DDR缓存雷达数据，支持最大采样时间为10 s，存储深度为1 GB，数据上传速率仅为7～8 Mb/s，数据采集时间和上传速率受限，远远不能满足实际需求。与标准采集设备相比，本数据采集系统支持数据不间断采集和实时上传。

5  结  语

本文基于ZYNQ平台提出了一套适用于TI 毫米波雷达AWR1243的高速数据采集系统，该系统通过SPI2接口发送参数指令控制雷达系统的各个参数，将雷达CSI2高速数据流转换成RGB888视频流，以VDMA方式搬运到DDR3中，最终通过千兆以太网完成数据上传功能。测试表明，系统CSI2高速速率为2.4 Gb/s，千兆以太网数据上传速率为350 Mb/s，数据丢帧率为零，满足实际需求。该系统小型便携，易于安装和使用，适用于自动驾驶、无人机避障、手势识别等领域，具有较高的实用价值。

注：本文通讯作者为周志权。

参考文献

[1] 张翔.2014年汽车ADAS技术的最新进展[J].汽车电器，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.基于视觉的驾驶员横向辅助系统关键技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

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

[3] 单祥茹.一款毫米波传感器，TI为业界带来诸多惊喜[J].中国电子商情（基础电子），2017（6）：16?17.