CN112904285B - 一种基于fpga芯片的信号采集方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于FPGA芯片的信号采集方法及装置，包括：ADC芯片，用于采集回波信号，回波信号是对应于毫米波雷达发射信号的信号，发射信号为脉冲调制信号；ADC芯片，还用于对所述回波信号进行处理得到第一数字信号；CIC滤波器，用于按照预定的采样率对第一数字信号进行采样，得到第二数字信号，第二数字信号的量化位数设定为预定的量化位数，并且高于第一数字信号的量化位数；USB控制模块，用于将第二数字信号存储到存储器中。
Description
技术领域
本发明涉及信号采集领域，尤其涉及一种基于FPGA芯片的信号采集方法及装置。
背景技术
近年来，在信号采集领域，毫米波雷达引起了关注，被广泛应用于自动驾驶，无人机，目标追踪等领域。其优势在于成本低廉，技术成熟，信号处理方案简单，抗干扰能力和穿透力强，以及高频段大带宽的毫米波提供了更好的距离、速度分辨率，但是在现有的毫米波雷达信号采集应用中，被采集的数据往往需要与上位机进行通信，比如将数字化的信号交给PC进行进一步处理，或者直接将处理后的结果交付给PC进行展示等，信号传输速度的不足将影响系统的实时性，导致信号处理滞后，并最终影响雷达探测结果的有效性，另外，在毫米波雷达信号处理系统中，为了满足不同工作场景下对采样率的不同要求，多速率信号处理技术被广泛应用，现有的毫米波雷达信号采集模块缺少对信号的采样率进行变换的功能，为后续的信号处理增加了工作量，并且影响了采集模块本身的实用性，结合毫米波雷达的热门前景和广泛用途，如何高精度、高速率的对毫米波雷达信号进行采集和处理，是未来信号采集系统研究和发展的重要方向之一。
发明内容
本发明提供一种基于FPGA芯片的信号采集方法及装置，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。
本发明一方面提供一种基于FPGA芯片的信号采集装置，包括：
ADC芯片，用于采集回波信号，所述回波信号是对应于毫米波雷达发射信号的信号，所述发射信号为脉冲调制信号；
所述ADC芯片，还用于对所述回波信号进行处理得到第一数字信号；
CIC滤波器，用于按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号，所述第二数字信号的量化位数设定为预定的量化位数，并且高于所述第一数字信号的量化位数；
USB控制模块，用于将所述第二数字信号存储到存储器中。
其中，该装置还包括：
毫米波雷达芯片，用于发送脉冲调制信号，所述脉冲调制信号包含多个线性调频信号；
其中，该装置还包括：
所述毫米波雷达芯片，还用于针对任意一个所述线性调频信号，接收侦测目标对所述线性调频信号反射回的线性调频信号；
所述毫米波雷达芯片，还用于对接收的线性调频信号进行去斜处理，得到正弦信号。
其中，该装置还包括：
所述CIC滤波器，还用于按照所述第一数字信号采样率的四分之一对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号。
其中，该装置还包括：USB芯片，
所述USB控制模块包括：USB顶层控制单元和存储器；
所述存储器包括：第一存储器和第二存储器；
所述第一存储器，用于存储第二数字信号；
所述USB芯片，用于接收上位机发送的读请求，将读请求发送给所述USB顶层控制单元；
所述USB顶层控制单元，用于读请求存储到第二存储器中，根据读请求从所述第一存储器中读取第二数字信号并将第二数字信号发送给所述USB芯片；
所述第二存储器，用于存储读请求；
所述USB芯片，还用于将第二数字信号发送给所述上位机。
本发明另一方面提供一种基于FPGA芯片的信号采集方法，包括：
采集回波信号，所述回波信号是对应于毫米波雷达发射信号的信号，所述发射信号为脉冲调制信号；
对所述回波信号进行处理得到第一数字信号；
按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号，所述第二数字信号的量化位数设定为预定的量化位数，并且高于所述第一数字信号的量化位数；
将所述第二数字信号存储到存储器中。
其中，所述采集回波信号之前，该方法还包括：
发送脉冲调制信号，所述脉冲调制信号包含多个线性调频信号。
其中，所述采集回波信号，该方法包括：
针对任意一个所述线性调频信号，接收侦测目标对所述线性调频信号反射回的线性调频信号；
对接收的线性调频信号进行去斜处理，得到正弦信号。
其中，所述按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样，该方法包括：
按照所述第一数字信号采样率的四分之一对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号。
其中，所述将所述第二数字信号存储到存储器中，该方法还包括：
接收上位机发送的读请求，将读请求发送给所述USB顶层控制单元；
将读请求存储到第二存储器中，根据读请求从所述第一存储器中读取第二数字信号并将第二数字信号发送给所述USB芯片；
将第二数字信号发送给所述上位机。
在本发明上述的方案中，利用CIC滤波器对数字信号的采样率进行变换，满足不同工作场景下对信号采样率的不同需求，同时，CIC滤波器提高信号的量化位数，增强信号的精度，使用USB控制模块实现数据在存储器和上位机之间的高速传输，满足实时性需求，且本发明提供的装置集成度高、体积小、便于安装。
附图说明
图1示出了一实施例所示的基于FPGA芯片的信号采集方法流程图；
图2示出了一实施例所示的基于FPGA芯片的信号采集装置结构示意图；
图3示出了一实施例所示的USB控制模块结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了提高对毫米波雷达信号进行采集和处理的精度和速率，如图1所示，本发明一实施例提供了一种基于FPGA芯片的信号采集装置，该装置包括：
ADC芯片02，用于采集回波信号，所述回波信号是对应于毫米波雷达发射信号的信号，所述发射信号为脉冲调制信号。
具体而言，ADC芯片02采集回波信号，采集的回波信号是毫米波雷达芯片01发送的脉冲调制信号中的单个线性调频信号经过侦测目标反射后发回的多个线性调频信号。
所述ADC芯片02，还用于对所述回波信号进行处理得到第一数字信号。
具体而言，ADC芯片02将回波信号进行模数转换处理，得到第一数字信号，数字信号是一种由二进制数字来表示的信号，具有保密性高、抗干扰、传输质量高的优点。
CIC滤波器03，用于按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号，所述第二数字信号的量化位数设定为预定的量化位数，并且高于所述第一数字信号的量化位数。
具体而言，ADC芯片02得到第一数字信号后，将第一数字信号传输给CIC滤波器03，CIC滤波器03按照预先确定的采样率对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号，可以根据不同工作场景下对信号采样率的不同需求对采样率进行改变，使得本方法具有高灵活度，比如在跟踪人员的轨迹的场景中，可以将信号的采样率调值成2或3MHZ，这样在保证信号精度的前提下能够降低消耗成本，在按照预先确定的采样率对所述第一数字信号进行采样得到第二数字信号时将第二数字信号的量化位数设置为预先确定的量化位数，该量化位数比第一数字信号的量化位数要高，提高信号的量化位数是指提高表示该信号每个采样量化点所用的二进制数的位数越多，量化位数越高，信号的精度就越高。
USB控制模块04，用于将所述第二数字信号存储到存储器中。
具体而言，CIC滤波器03对第一数字信号处理后得到第二数字信号，并将第二数字信号传输给USB控制模块04，USB控制模块04将第二数字信号存储到存储器中。
其中，该装置还包括：
毫米波雷达芯片01，用于发送脉冲调制信号，所述脉冲调制信号包含多个线性调频信号。
具体而言，毫米波雷达芯片01发送脉冲调制信号，脉冲调制信号是指按一定的规律发射多个线性调频信号，针对不同的场景和需求，发送的脉冲调制信号中包含的多个雷达信号可以为其他不同的信号，在毫米波雷达芯片01发送脉冲调制信号前，还需要利用毫米波雷达芯片控制单元对毫米波雷达芯片01配置波形参数，波形参数是毫米波雷达芯片发送的脉冲调制信号的参数，包括脉宽、中心频率、带宽和调频斜率。
其中，该装置还包括：
所述毫米波雷达芯片01，还用于针对任意一个所述线性调频信号，接收侦测目标对所述线性调频信号反射回的线性调频信号。
具体而言，毫米波雷达芯片01接收回波信号，回波信号是毫米波雷达芯片01发送的脉冲调制信号中的单个线性调频信号经过多个目标反射后发回的线性调频信号。
所述毫米波雷达芯片01，还用于对接收的线性调频信号进行去斜处理，得到正弦信号。
具体而言，毫米波雷达芯片01在接收到回波信号后，利用混频器对回波信号进行去斜处理，得到正弦信号。
其中，该装置还包括：
所述CIC滤波器03，还用于按照所述第一数字信号采样率的四分之一对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号。
具体而言，在按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样时，在本实施例中，可以按照第一数字信号采样率的四分之一对第一数字信号进行采样，这样能有效减少装置的消耗，减少成本，并将第一数字信号的量化位数由10bit提高到12bit，也就是表示每个采样量化点所用的二进制数的位数从10位提高到了12位，提升了信号的精度。
其中，该装置还包括：USB芯片，
所述USB控制模块包括：USB顶层控制单元和存储器；
所述存储器包括：第一存储器和第二存储器；
所述第一存储器，用于存储第二数字信号。
具体而言，CIC滤波器03在得到第二数字信号后将所述第二数字信号存入第一存储器中进行缓存。
所述USB芯片，用于接收上位机发送的读请求，将读请求发送给所述USB顶层控制单元。
具体而言，USB芯片接收上位机发送来的读请求，然后将读请求发送给USB顶层控制单元。
所述USB顶层控制单元，用于读请求存储到第二存储器中，根据读请求从第一存储器中读取第二数字信号并将第二数字信号发送给所述USB芯片。
具体而言，USB顶层控制单元接收到USB芯片发送来的读请求，然后将读请求存入第二存储器中进行缓存，再根据这些读请求从第一存储器中读取第二数字信号并将第二数字信号发送给USB芯片。
所述第二存储器，用于存储读请求。
所述USB芯片，还用于将第二数字信号发送给所述上位机。
具体而言，USB芯片接收USB顶层控制单元发送来的第二数字信号并将其发送给上位机进行下一步处理。
在本发明实施例提供的基于FPGA芯片的信号采集装置中，利用CIC滤波器03对数字信号的采样率进行变换，满足不同工作场景下对信号采样率的不同需求，同时，CIC滤波器03提高信号的量化位数，增强信号的精度，使用USB控制模块04实现数据在存储器和上位机之间的高速传输，满足实时性需求，且本发明提供的装置集成度高、体积小、便于安装。
如图3所示，为了提高信号采集的速率，本发明实施例提供的基于FPGA芯片的信号采集装置包括了USB控制模块，下面按照USB控制模块结构示意图对本发明提供的实施例进行说明。
经过ADC芯片采集，CIC滤波器处理后得到的第二数字信号被CIC滤波器写入FIFO_DDR2A中进行缓存，上位机向USB芯片发送读请求，USB芯片通过USB顶层控制单元将所述读请求依次写入FIFO_DDR2B中进行缓存，USB顶层控制单元根据FIFO_DDR2B中缓存的读请求从FIFO_DDR2A中读取第二数字信号，USB顶层控制单元读取到第二数字信号后传输给USB芯片，USB芯片通过USB3.0接口将第二数字信号高速地传输给上位机，上位机在获得第二数字信号后可以将第二数字信号进行进一步处理或者直接展示，上位机对一个线性调频信号的回波信号进行处理可以得到被侦测目标的距离信息，对多个线性调频信号的回波信号进行联合处理还可以进一步得到被侦测目标的角度和速度信息。在将数据存入FIFO_DDR2中时，FIFO_DDR2构建多个读FIFO队列和多个写FIFO队列，将数据依次写入多个写FIFO队列中，多个写FIFO队列依次将数据存入DDR2中进行缓存，在外部向FIFO_DDR2读取数据时，多个读FIFO队列根据读请求从DDR2中读取数据，在依次传输给相应的外部装置。利用FIFO_DDR2B对读请求进行缓存是为了避免数据在高速请求时造成读请求的丢失。
如图2所示，本发明实施例还提供了一种基于FPGA芯片的信号采集方法，该方法包括：
步骤101，采集回波信号，所述回波信号是对应于毫米波雷达发射信号的信号，所述发射信号为脉冲调制信号。
ADC芯片采集回波信号，采集的正弦信号是毫米波雷达芯片向侦测目标发送的脉冲调制信号中的单个线性调频信号经过目标反射后发回的线性调频信号。
步骤102，对所述回波信号进行处理得到第一数字信号。
ADC芯片将回波信号进行模数转换处理，得到第一数字信号，数字信号是一种由二进制数字来表示的信号，具有保密性高、抗干扰、传输质量高的优点。
步骤103，按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号，所述第二数字信号的量化位数设定为预定的量化位数，并且高于所述第一数字信号的量化位数。
ADC芯片得到第一数字信号后，将第一数字信号传输给CIC滤波器，CIC滤波器按照预先确定的采样率对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号，可以根据不同工作场景下对信号采样率的不同需求对采样率进行改变，使得本方法具有高灵活度，比如在跟踪人员的轨迹的场景中，可以将信号的采样率调值成2或3MHZ，这样在保证信号精度的前提下能够降低消耗成本，在按照预先确定的采样率对所述第一数字信号进行采样得到第二数字信号时将第二数字信号的量化位数设置为预先确定的量化位数，该量化位数比第一数字信号的量化位数要高，提高信号的量化位数是指提高表示该信号每个采样量化点所用的二进制数的位数越多，量化位数越高，信号的精度就越高。
步骤104，将所述第二数字信号存储到存储器中。
CIC滤波器对第一数字信号处理后得到第二数字信号，并将第二数字信号传输给USB控制模块，USB控制模块将第二数字信号存储到存储器中。
在步骤101中采集到的回波信号，所述采集回波信号之前，该方法还包括：
步骤201，发送脉冲调制信号，所述脉冲调制信号包含多个线性调频信号。
毫米波雷达芯片发送脉冲调制信号，发送脉冲调制信号是指按一定的规律向目标发射多个线性调频信号，针对不同的场景和需求，发送的脉冲调制信号中包含的多个雷达信号可以为其他不同的信号。
在步骤201中，所述采集回波信号，该方法包括：
步骤301，针对任意一个所述线性调频信号，接收侦测目标对所述线性调频信号反射回的线性调频信号。
毫米波雷达芯片接收回波信号，回波信号是毫米波雷达芯片发送的脉冲调制信号中的单个线性调频信号经过多个目标反射后发回的线性调频信号。
步骤302，对接收的线性调频信号进行去斜处理，得到正弦信号。
毫米波雷达芯片在接收到线性调频信号后，利用混频器对线性调频信号进行去斜处理，得到正弦信号。
在步骤102中，所述按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样，该方法包括：
步骤401，按照所述第一数字信号采样率的四分之一对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号。
在按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样时，在本实施例中，可以按照第一数字信号采样率的四分之一对第一数字信号进行采样，这样能有效减少装置的消耗，减少成本，并将第一数字信号的量化位数由10bit提高到12bit，也就是表示每个采样量化点所用的二进制数的位数从10位提高到了12位，提升了信号的精度。
在步骤103中，所述将所述第二数字信号存储到存储器中，该方法还包括：
步骤501，接收上位机发送的读请求，将读请求发送给所述USB顶层控制单元。
具体而言，USB芯片接收上位机发送来的读请求，然后将读请求发送给USB顶层控制单元。
步骤502，将读请求存储到第二存储器中，根据读请求从所述第一存储器中读取第二数字信号并将第二数字信号发送给所述USB芯片。
具体而言，USB顶层控制单元接收到USB芯片发送来的读请求，然后将读请求存入第二存储器中进行缓存，再根据这些读请求从第一存储器中读取第二数字信号并将第二数字信号发送给USB芯片。
步骤503，将第二数字信号发送给所述上位机。
具体而言，USB芯片接收USB顶层控制单元发送来的第二数字信号并将其发送给上位机进行下一步处理。
在本发明实施例提供的基于FPGA芯片的信号采集方法中，利用CIC滤波器对数字信号的采样率进行变换，满足不同工作场景下对信号采样率的不同需求，同时，CIC滤波器提高信号的量化位数，增强信号的精度，使用USB控制模块实现数据在存储器和上位机之间的高速传输，满足实时性需求。
除了上述方法和设备以外，本申请的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的方法中的步骤。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本申请的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的方法中的步骤。
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (7)
1.一种基于FPGA芯片的信号采集装置，其特征在于，包括：
ADC芯片，用于采集回波信号，所述回波信号是对应于毫米波雷达发射信号的信号，所述发射信号为脉冲调制信号；
所述ADC芯片，还用于对所述回波信号进行处理得到第一数字信号；
CIC滤波器，用于按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号，将所述第二数字信号发送给USB控制模块，所述第二数字信号的量化位数设定为预定的量化位数，并且高于所述第一数字信号的量化位数；
所述USB控制模块包括：USB顶层控制单元和存储器；
所述存储器包括：FIFO_DDR2A和FIFO_DDR2B；
所述FIFO_DDR2A，用于存储第二数字信号；
USB芯片，用于接收上位机发送的读请求，将读请求发送给所述USB顶层控制单元；
所述USB顶层控制单元，用于将读请求依次写入多个写FIFO队列中，通过多个写FIFO队列依次将读请求存入FIFO_DDR2B中进行缓存或存储；通过多个读FIFO队列根据读请求从FIFO_DDR2A中读取第二数字信号发送给所述USB芯片；
所述FIFO_DDR2B，用于存储读请求；
所述USB芯片，还用于将第二数字信号发送给所述上位机。
2.根据权利要求1所述的信号采集装置，其特征在于，该装置还包括：
毫米波雷达芯片，用于发送脉冲调制信号，所述脉冲调制信号包含多个线性调频信号；
所述毫米波雷达芯片，还用于针对任意一个所述线性调频信号，接收侦测目标对所述线性调频信号反射回的线性调频信号；
所述毫米波雷达芯片，还用于对接收的线性调频信号进行去斜处理，得到正弦信号；
所述ADC芯片，还用于采集所述毫米波雷达芯片发出的所述正弦信号。
3.根据权利要求1所述的信号采集装置，其特征在于，
所述CIC滤波器，还用于按照所述第一数字信号采样率的四分之一对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号。
4.一种基于FPGA芯片的信号采集方法，其特征在于，包括：
通过ADC芯片采集回波信号，所述回波信号是对应于毫米波雷达发射信号的信号，所述发射信号为脉冲调制信号；
利用ADC芯片对所述回波信号进行处理得到第一数字信号；
通过CIC滤波器按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号，将所述第二数字信号发送给USB控制模块，所述第二数字信号的量化位数设定为预定的量化位数，并且高于所述第一数字信号的量化位数；所述USB控制模块包括：USB顶层控制单元和存储器；其中所述存储器包括：FIFO_DDR2A和FIFO_DDR2B；
通过USB芯片接收上位机发送的读请求，将读请求发送给USB顶层控制单元；
通过USB顶层控制单元将读请求依次写入多个写FIFO队列中，通过多个写FIFO队列依次将读请求存入FIFO_DDR2B中进行缓存或存储；通过多个读FIFO队列根据读请求从FIFO_DDR2A中读取第二数字信号发送给所述USB芯片；
通过USB芯片将第二数字信号发送给所述上位机。
5.根据权利要求4所述的信号采集方法，其特征在于，所述采集回波信号之前，该方法还包括：
通过毫米波雷达芯片发送脉冲调制信号，所述脉冲调制信号包含多个线性调频信号。
6.根据权利要求5所述的信号采集方法，其特征在于，所述采集回波信号，该方法包括：
针对任意一个所述线性调频信号，接收侦测目标对所述线性调频信号反射回的线性调频信号；
对接收的线性调频信号进行去斜处理，得到正弦信号。
7.根据权利要求4所述的信号采集方法，其特征在于，所述按照预定的采样率对所述第一数字信号进行采样，该方法包括：
通过CIC滤波器按照所述第一数字信号采样率的四分之一对所述第一数字信号进行采样，得到第二数字信号。
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