基于FPGA+DSP的雷達高速數據采集系統的實現

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

　　0 引言

　　隨著雷達數據處理技術的快速發展，需要高速采集雷達回波信號。然而激光雷達的發射波及回波信號經光電器件轉換后，形成的電信號脈寬窄，幅度低，而且背景噪聲大，如采用低速的數據采集系統進行采集，存在數據精度不高等問題。同時，為避免數據傳輸不及時，發生數據丟失，影響系統的可靠性和實時性，需設計開發高速數據采集系統。

　　設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，高數據傳輸率，高分辨率數模轉換芯片AD9235；利用XC2V250內部的大小為6 KB的異步FIFO實現AD9235轉換器與TMS320C6201間的高速數據傳輸。采集系統的采樣率為30 MHz，分辨率為12位，內部異步緩存FIFO為6 KB，滿足高速數據采集要求。

　　1 系統設計

　　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，與采樣輸入共用一條外部總線，進行外部設備的讀寫，不允許數據采集始終占用外部總線。如果不能及時接收數據，上次存儲的數據會被覆蓋，造成數據丟失。異步FIFO能實現不同時鐘域的數據傳輸，可將它作為A／D轉換器和EMIF之間的橋梁，每寫入一塊數據，便通知EMIF從FIFO取走數據。基于以上分析，圖1為高速數據采集系統結構框圖。

圖1 高速數據采集系統結構框圖

　　FPGA內部DCM為A／D轉換器和DSP提供采樣時鐘和外部振蕩源，A／D轉換器與DSP工作在不同時鐘，在FPGA內部生成一個異步FIFO作為數據傳輸緩存。A／D轉換器把采樣值寫入FIFO，FIFO寫使能WR_EN一直有效，系統上電后，A／D轉換器一直處于工作狀態，每寫入一塊數據便向DSP發出中斷信號，在中斷中讀取FIFO中的數據。FIFO輸入數據寬度12位，輸出數據寬度為24位，FIFO讀時鐘高于寫時鐘，DSP讀取數據比A／D向FIFO寫數據快，而且DSP內部數據處理時間較快，可保證系統高速實時采集。