基于FPGA与DSP的雷达高速数据采集系统

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
    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。

    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
    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，最大采样率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。

3 FPGA接口设计
3．1 时钟设计
    采用30 MHz外部晶振作为整个系统的时钟源，利用XCV250内部的时钟管理器DCM，分别为AD9235、异步FIFO、TMS320C6201提供时钟源。  DCM输出CLK0的30 MHz时钟作为AD9235采样时钟和异步FIFO的写周期WR_CLK。
    利用DCM数字频率合成器输出CLKFX作为TMS320C6201的时钟源。公式：DCM输出CLKFX的频率=输入时钟CLKIN的频率×(M／D)，取M／D=5／3。这样DCM为TMS320C6201提供50 MHz时钟，经过4倍频，DSP系统时钟为200 MHz，外部存储EMIF时钟CLKOUT1为200 MHz。设置CE0空间控制寄存器的参数，使FIFO读时序SETUP、HOLD等于一个CLKOUT1周期，STROPE等于两个CLKOUT1周期，读时序如图3所示，读第一个数时，EMIF会自动维护最小2个时钟周期的建立时间，后续数据读取，建立时间为1个时钟周期。FIFO读时钟周期约为50 MHz，比A／D向FIFO写数据时间快，保证系统实时采集。

3．2 异步FIFO接口时序
    AD9235与FPGA接口设计应仔细考虑ADC转换时钟、FIFO写时钟及所选中间逻辑器件的时序和延时特性，以保证正确地设置采样时钟。AD-9235的采样数据在延时7个采样周期后出现在数据线上，图4为A／D与FIFO接口时序。

    读FIFO操作，利用EMIF外部存储器的控制信号，包含有：输出使能位和读使能以及外部空间片选信号。读写时序如图3，输出使能和外部空间片选信号低时，异步FIFO读使能RD_EN有效，当读使能位为低时，待读出的数据进行初始化，随后会跳变为高电平，异步RD_CLK端产生上升沿，此时异步FIFO中数据被读出。图1中的HALF_FULL位直接与TMS320C6201外部存储区域中断EXT-INT5触发连接，当FIFO缓存达到半满时，上升沿触发DSP外部中断，DSP启动DMA(直接数据存储)以突发方式读取FIFO数据，在时钟CLOCKOUT1下读取FIFO存储数据。EMIF与FIFO的读逻辑关系为RD_CLK=!；RD_EN=!。
    图5为异步FIFO仿真图，输入数据宽度12位，输出数据宽度为24位。读时钟为50置MHz，写时钟为30 MHz。

4 设计应注意问题
    若用异步FIFO中的FULL信号作为中断源，满信号位FULL有效，触发DMA开始传输，在满信号和DMA传输之间，A／D采集时钟仍然驱动A／D转换器，会覆盖之前存储的采集数据，造成数据丢失；若采用HALF-FULL信号作信号标志位，半满时候，开始DMA传输，不用中断数据采集，由于A／D写入速度低于EMIF读出速度，也不会造成数据覆盖。
    FPGA内部的异步FIFO数据总线与TMS320C6201的数据总线相连，应注意数据采集与TMS320C6201访问外设间的总线冲突。应保证没有长时间占用数据总线的外部设备，否则造成采集数据丢失。

5 结论
    针对雷达的回波信号，设计基于FPGA与DSP的高速数据采集系统，介绍了雷达前端信号A／D外围转换电路，利用DCM和异步FIFO实现ADC与高速DSP间的数据缓冲，以保证采集数据的有效传输。系统采样率为30 MHz，采样精度为12位，异步存储缓冲FIFO大小为6 kbits，能较好地满足高速采集要求。FIFO与DSP采用24位数据接口，读取FIFO采用DMA数据传输，较充分利用DSP资源，提高了系统实时处理的能力。