基于FPGA+DSP的雷达高速数据采集系统的实现
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2021-01-19
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基于基于FPGA+DSP的雷达高速数据采集系统的实现的雷达高速数据采集系统的实现
摘要：激光雷达的发射波及回波信号经光电器件转换形成的电信号具有脉宽窄，幅度低，背景噪声大等特点，对其进行低速数据采集存在
数据精度不高等问题。同时，A/D转换器与数字信号处理器直接连接会导致数据传输不及时，影响系统可靠性、实时性。针对激光雷达回
拨信号，提出基于FPGA与DSP的高速数据采集系统，利用FPGA内部的异步FIFO和DCM实现A/D转换器与DSP的高速外部存储接口
（EMIF）之间的数据传输。介绍了ADC外围电路、工作时序以及DSP的EMIF的设置参数，并对异步FIFO数据读写进行仿真，结合硬件结
构详细地分析设计应注意的问题。系统采样率为30 MHz，采样精度为12位。 0 引言
摘要：激光雷达的发射波及回波信号经光电器件转换形成的电信号具有脉宽窄，幅度低，背景噪声大等特点，对其进行低速数据采集存在数据精度不高
等问题。同时，A/D转换器与数字信号处理器直接连接会导致数据传输不及时，影响系统可靠性、实时性。针对激光雷达回拨信号，提出基于FPGA与DSP
的高速数据采集系统，利用FPGA内部的异步FIFO和DCM实现A/D转换器与DSP的高速外部存储接口（EMIF）之间的数据传输。介绍了ADC外围电路、工
作时序以及DSP的EMIF的设置参数，并对异步FIFO数据读写进行仿真，结合硬件结构详细地分析设计应注意的问题。系统采样率为30 MHz，采样精度为
12位。
0 引言引言
随着雷达数据处理技术的快速发展，需要高速采集雷达回波信号。然而激光雷达的发射波及回波信号经光电器件转换后，形成的电信号脉宽窄，幅度
低，而且背景噪声大，如采用低速的数据采集系统进行采集，存在数据精度不高等问题。同时，为避免数据传输不及时，发生数据丢失，影响系统的可靠
性和实时性，需设计开发高速数据采集系统。
设计中针对前端输出约-25～25 mV，带宽为20 MHz的信号，采用高带宽，低噪声，高数据传输率，高分辨率数模转换芯片AD9235；利用XC2V250内
部的大小为6 KB的异步FIFO实现AD9235转换器与TMS320C6201间的高速数据传输。采集系统的采样率为30 MHz，分辨率为12位，内部异步缓存FIFO为
6 KB，满足高速数据采集要求。
1 系统设计系统设计
如果A／D直接与DSP的外部存储接口EMIF连接，会使DSP的负荷过重，另一方面DSP还需扩展外设，与采样输入共用一条外部总线，进行外部设备
的读写，不允许数据采集始终占用外部总线。如果不能及时接收数据，上次存储的数据会被覆盖，造成数据丢失。异步FIFO能实现不同时钟域的数据传
输，可将它作为A／D转换器和EMIF之间的桥梁，每写入一块数据，便通知EMIF从FIFO取走数据。基于以上分析，图1为高速数据采集系统结构框图。
图1 高速数据采集系统结构框图
FPGA内部DCM为A／D转换器和DSP提供采样时钟和外部振荡源，A／D转换器与DSP工作在不同时钟，在FPGA内部生成一个异步FIFO作为数据传
输缓存。A／D转换器把采样值写入FIFO，FIFO写使能WR_EN一直有效，系统上电后，A／D转换器一直处于工作状态，每写入一块数据便向DSP发出中
断信号，在中断中读取FIFO中的数据。FIFO输入数据宽度12位，输出数据宽度为24位，FIFO读时钟高于写时钟，DSP读取数据比A／D向FIFO写数据快，
而且DSP内部数据处理时间较快，可保证系统高速实时采集。
2 A／／D转换电路转换电路
A／D转换电路是整个系统的重要组成部分。对前端输出约-25～25 mV，带宽为20 MHz的射频信号数字化，设计采用模数转换器芯片AD9235，采样率
40 Mb／s，12 bit数据输出，信噪比RSN=70 dB。AD9235是差分输入，单端信号输入需要A／D驱动芯片，选用低失真差分A／D驱动芯片AD8138，图2为
A／D转换电路，AD9235模拟输入设置在2VPP，参考电压VREF采用内部1 V参考电压，同时还作为驱动芯片AD8138的共模电压。利用AD8138对输入信
号进行放大，放大倍数RF／RG=2．49 kΩ／820 Ω≈3。因此，经过AD8138单端差分转换及放大输入信号范围为25～175 mV。
图2 A／D转换电路
3 FPGA接口设计接口设计
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