CN116224270A - 基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统 - Google Patents

基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，该系统包括Zynq芯片PL端的数据采集模块、DDR读写控制器模块、参数解析模块、数据传输模块和传感器接口模块，以及PS端的串口模块和网口模块；该系统将多个具有特定功能的集成电路组合在单一芯片上，具有IP复用和软硬件协同设计特性，并搭载传感器组和CX8142芯片的硬件设计，实现雷达回波数据和状态信息的采集。本发明具有一定的通用性和普遍性，能对使用Zynq‑7000系列芯片的雷达系统实现实时监控系统温度、电压以及姿态信息，也能对回波信号进行采集和存储，最后可通过网口和串口将采集到的回波信号和状态信号传输至上位机进行分析与验证。

Description

基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统
技术领域
本发明涉及一种采集系统，具体是一种基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统。
背景技术
随着雷达技术和集成电路工艺的不断的发展，雷达的体积不断减少，但数据处理的能力不断提高，因此对数据采集的实时性、稳定性、传输速率的要求也不断提高。在实际应用中，为了能够准确的提取出雷达信号中的距离、速度、角度等信息，需要高速采集系统对射频前端的回波信号进行精确采集，以保证信号处理系统解析出目标信息。
传统的雷达硬件设计方案采用FPGA+处理器架构，该架构虽然可以满足采样率和传输速率的要求，但是PCB设计上连线相对较多，面积相对较大，设计相对复杂、造价相对昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，包括Zynq芯片PL端的数据采集模块、DDR读写控制模块、数据传输模块、参数解析模块和传感器接口模块，以及软件PS端的串口模块和网口模块；
所述数据采集模块用于射频直采收发芯片CX8142的配置，高速接口数据的串并转换，以及回波信号的缓存、拼接和跨时钟域处理；
所述DDR读写控制模块用于数据采集模块输出数据的接收，并写入PL端DDR中存储，最后将存储的数据按照AXI4_Stream协议发送给数据传输模块；
所述数据传输模块用于PL端与PS端之间的数据交互，实现PL端DDR中存储的数据传输至PS端的DDR中，以及PS端下发命令的接收；
所述参数解析模块用于PS端下发命令的接收与解析，控制射频直采收发芯片的工作模式，以及DDR读写控制模块的数据存储容量；
所述传感器接口模块用于对传感器组中的各个传感器进行读写控制，配置其工作模式以及接收状态信息；
所述串口模块用于与上位机进行数据交互，对传感器采集数据的上传以及上位机下发命令的接收；
所述网口模块用于与上位机进行数据交互，对CX8142芯片采集的回波信号上传。
进一步的，所述数据采集模块包括：
中频参数配置模块，用于射频直采收发芯片CX8142工作模式、采样率和中频频率的配置，其工作模式由参数解析模块控制；
JESD204B模块，用于高速SERDES技术下DDC通道数据的接收，以及回波数据的串并转换；
异步FIFO模块，用于回波数据位宽的转换，以及数据的跨时钟域处理。
进一步的，所述DDR读写控制模块包括：
读控制模块，用于接收MIG核输出的数据，并返回给下游模块，以及负责与仲裁模块状态信号的交互，最后给出DDR读命令、读地址；
写控制模块，用于接收上游模块给出的数据、起始地址和数据传输数据大小，以及负责与仲裁模块状态信号的交互，最后给出DDR写命令、写地址和数据；
读写仲裁模块，用于避免读写操作同时进行导致的冲突，仲裁的优先级为先写后读；
MIG模块，用于直接与DDR芯片连接，对DDR芯片进行读写操作。
进一步的，所述数据传输模块包括：
AXI_FIFO模块：用于DDR读写控制模块输出数据的接收和存储，解决数据从PL端到PS端的跨时钟域处理；
AXI_DMA模块：用于PL端与PS端之间数据的DMA传输，通过PS端控制数据传输的方向、大小和存储空间。
进一步的，参数解析模块：用于PS端下发命令的接收与解析，控制CX8142芯片的工作模式，以及DDR读写控制模块存储多大容量的数据。
进一步的，传感器接口模块根据不同的传感器接口实例化不同的IP核控制传感器的读写控制，配置传感器芯片工作模式以及接收状态信息。
进一步的，网口模块用于上传回波和参考数据给上位机进行数据分析与验证。
本发明与现有技术相对比，其显著优点为：(1)本发明设计一种基于全可编程的(All Programmable)多处理器Soc架构的Zynq芯片作为主控制芯片的雷达回波数据和状态信息采集系统，该系统利用ZYNQ独特的高速内部总线架构，减少了芯片间的PCB连线，实现了PL(Programmable Logic)和PS(Processor System)之间的高速通信，实现了软硬件协同工作，以满足采集系统的实时性要求同时对系统运行环境的实时监控与预警，确保系统高效稳定地运行；(2)本发明利用了Zynq芯片SoC架构的软硬件协同工作的特性，实现了系统可配置可重构，即通过PS的网口和串口与上位机通信，从而可实现在上位机端下发不同参数，进而配置PL端的各个模块进而控制系统工作等；(3)本发明利用Zynq芯片IP复用的特性，可实现多个不同的低速接口如SPI、UART、I2C接口，进而适配各种接口的传感器芯片，实现对雷达系统工作环境实时监控与预警；(4)本发明采用国产的射频直采收发芯片CX8142，其内部集成两路DUC和两路DDC通道，可以实现信号的收发。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统的结构图。
图2是图1所示系统中的数据采集模块的结构框图。
图3是图1所示系统中的DDR读写控制的结构框图。
图4是图1所示系统中的数据传输模块的结构框图。
图5是图1所示系统中的传感器组模块的结构框图。
具体实施方式
本发明提出一种基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，利用Xilinx公司第一代全可编程SoC架构Zynq-7000系列芯片的优势，即由多个具有特定功能的集成电路组合在单一芯片上形成的系统或产品，其中包含完整的硬件系统及其承载的嵌入式软件，具有IP复用和软硬件协同设计特性，并搭载传感器组和CX8142芯片的硬件设计，去实现雷达回波数据和状态信息的采集。该系统包括Zynq芯片PL端的数据采集模块、DDR读写控制器模块、参数解析模块、数据传输模块和传感器接口模块；以及PS端的串口模块和网口模块。本发明具有一定的通用性和普遍性，能对使用Zynq-7000系列芯片的雷达系统实现实时监控系统温度、电压以及姿态等状态信息，也能对回波信号进行采集和存储，最后可通过网口和串口将采集到的回波信号和状态信号传输至上位机进行分析与验证。
下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。
结合图1，本实施例的一种基于ZYNQ的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，包括硬件PL端的数据采集模块、DDR读写控制模块、参数解析模块，数据传输模块和传感器接口模块；以及软件PS端的串口模块和网口模块。
所述数据采集模块用于对射频直采收发芯片CX8142的配置，高速接口数据的串并转换，以及回波与参考信号的数据拼接、缓存和跨时钟域处理；
所述DDR读写控制模块用于接收数据采集模块的数据，将数据写入PL的DDR3中存储，并把数据传输格式转为AXI4_STREAM格式；
所述参数解析模块用于接收PS端下发的命令，控制射频直采收发芯片的工作模式，以及DDR存储多大容量的数据；
所述数据传输模块用于PL与PS端的数据交互，实现PL端DDR中的数据传输至PS端的DDR中存储，以及接收来自PS端命令；
所述传感器接口模块用于对传感器芯片进行读写，配置其工作模式和读取传感器数据；
所述串口模块用于与上位机通信，上传传感器采集的数据和接收上位机下发的命令；
所述网口模块用于上传回波和参考数据给上位机进行数据分析与验证；
结合图2，所述数据采集模块包括：
中频参数配置模块，用于CX8142工作模式、采样率和中频频率的配置，其工作模式由参数解析模块控制；
JESD204B模块，用于高速SERDES技术下DDC通道数据的接收，以及回波数据的串并转换；
异步FIFO模块，用于回波和参考数据位宽的转换，以及数据采集时钟与DDR用户时钟的跨时钟域处理；
数据采集模块实现具体功能如下：
首先中频参数配置模块解析WORK_MODE参数选择射频直采收发芯片CX8142工作模式，其次通过SPI协议写入配置信息。随后JBSD204B模块对CX8142输出的串行数据进行串并转换，从而得到I/Q两路16位的并行回波数据，其中JBSD204B模块是通过实例化Xilinx公司的JBSD204B IP核工作在模式0上实现的。最后异步FIFO模块将回波I/Q数据拼接为32位数据接收，当数据写入深度为1024时，通过DDR用户时钟一次性读取128个256位数据输出，用于解决DDR读写位宽大小问题以及跨时钟域问题。
结合图3，所述DDR读写控制模块包括：
读控制模块，用于接收MIG核输出的数据，并返回给下游模块，以及负责与仲裁模块状态信号的交互，最后给出DDR读命令、读地址；
写控制模块，用于接收上游模块给出的数据、起始地址和数据传输数据大小，以及负责与仲裁模块状态信号的交互，最后给出DDR写命令、写地址和数据；
读写仲裁模块，用于避免读操作和写操作同时进行导致的冲突，仲裁的优先级为先写后读；
MIG模块，用于直接与DDR芯片连接，对DDR芯片进行读写操作；DDR读写控制模块具体功能如下：
写控制模块接收来自数据采集模块的输出数据，首先发起写请求给读写仲裁模块，得到应答信号后开始输出写地址，写命令和写数据至MIG核。当写入的数据量等于DATA_SIZE参数大小时，停止写操作开始读操作。直到下游数据传输模块TREADY拉高时，读控制模块发起读请求给读写仲裁模块，得到读应答信号后开始输出读地址和读命令至MIG核，最后MIG核输出存储的回波信号并按照AXI4_Stream协议格式发送给下游模块，其中MIG核是通过实例化Xilinx公司提供的memory interface generator IP核实现的。
结合图4，所述数据传输模块包括：
AXI_FIFO模块：用于DDR读写控制模块输出数据的接收和存储，解决数据从PL端到PS端的跨时钟域处理；
AXI_DMA模块：用于PL端与PS端之间数据的搬运，通过PS端控制数据传输的方向、大小和存储空间；
数据传输模块具体功能如下：
AXI_FIFO模块通过实例化AXI_STRAM DATA FIFO IP核来缓存上游模块输出数据，当数据量达到1024个256位宽时，DMA模块开始启动一次DMA传输，从AXI_FIFO模块读取数据传输至PS端DDR中，其数据大小以及存储空间，由PS端通过AXI_GP接口控制。AXI_DMA模块也用于传输PS数据到PL中，当上位机通过串口模块下发参数给PS端后，PS端将启动一次DMA把数据传输给PL的参数解析模块。
结合图5，传感器接口模块：用于对传感器芯片进行读写，配置其工作模式和读取传感器数据；
传感器接口模块具体功能如下：
可根据连接到Zynq芯片的传感器芯片，从而实例化不同的低速接口IP核，PS端通过AXI_GP接口控制低速接口IP核，进而配置传感器芯片的工作模式和读取数据。

Claims (10)

1.一种基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，其特征在于，包括Zynq芯片PL端的数据采集模块、DDR读写控制模块、数据传输模块、参数解析模块和传感器接口模块，以及软件PS端的串口模块和网口模块；
所述数据采集模块用于射频直采收发芯片CX8142的配置，高速接口数据的串并转换，以及回波信号的缓存、拼接和跨时钟域处理；
所述DDR读写控制模块用于数据采集模块输出数据的接收，并写入PL端DDR中存储，最后将存储的数据按照AXI4_Stream协议发送给数据传输模块；
所述数据传输模块用于PL端与PS端之间的数据交互，实现PL端DDR中存储的数据传输至PS端的DDR中，以及PS端下发命令的接收；
所述参数解析模块用于PS端下发命令的接收与解析，控制射频直采收发芯片的工作模式，以及DDR读写控制模块的数据存储容量；
所述传感器接口模块用于对传感器组中的各个传感器进行读写控制，配置其工作模式以及接收状态信息；
所述串口模块用于与上位机进行数据交互，对传感器采集数据的上传以及上位机下发命令的接收；
所述网口模块用于与上位机进行数据交互，对CX8142芯片采集的回波信号上传。
2.根据权利要求1所述的基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：
中频参数配置模块，用于CX8142工作模式、采样率和中频频率的配置，其工作模式由参数解析模块控制；
JESD204B模块，用于高速SERDES技术下DAC通道数据的接收，以及回波数据的串并转换；
异步FIFO模块，用于回波数据位宽的转换，以及数据的跨时钟域处理。
3.根据权利要求2所述的基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，其特征在于，所述中频参数配置模块解析WORK_MODE参数选择射频直采收发芯片CX8142工作模式，通过SPI协议写入配置信息；JBSD204B模块对CX8142输出的串行数据进行串并转换，得到I/Q两路16位的并行回波数据；异步FIFO模块将回波I/Q数据拼接为32位数据接收，当数据写入深度为1024时，通过DDR用户时钟一次性读取128个256位数据输出。
4.根据权利要求1所述的基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，其特征在于，所述DDR读写控制模块包括：
读控制模块，用于接收MIG核输出的数据，并返回给下游模块，以及负责与仲裁模块状态信号的交互，最后给出DDR读命令、读地址；
写控制模块，用于接收上游模块给出的数据、起始地址和数据传输数据大小，以及负责与仲裁模块状态信号的交互，最后给出DDR写命令、写地址和数据；
读写仲裁模块，用于避免读写操作同时进行导致的冲突，仲裁的优先级为先写后读；
MIG模块，用于直接与DDR芯片连接，对DDR芯片进行读写操作。
5.根据权利要求4所述的基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，其特征在于，所述写控制模块接收来自数据采集模块的输出数据，首先发起写请求给读写仲裁模块，得到应答信号后开始输出写地址，写命令和写数据至MIG核；当写入的数据量等于DATA_SIZE参数大小时，停止写操作开始读操作；直到下游数据传输模块TREADY拉高时，读控制模块发起读请求给读写仲裁模块，得到读应答信号后开始输出读地址和读命令至MIG核，最后MIG核输出存储的回波信号并按照AXI4_Stream协议格式发送给下游模块。
6.根据权利要求1所述的基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，其特征在于，所述数据传输模块包括：
AXI_FIFO模块：用于DDR读写控制模块输出数据的接收和存储，解决数据从PL端到PS端的跨时钟域处理；
AXI_DMA模块：用于PL端与PS端之间数据的DMA传输，通过PS端控制数据传输的方向、大小和存储空间。
7.根据权利要求6所述的基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，其特征在于，所述AXI_FIFO模块通过实例化AXI_STRAM DATA FIFO IP核来缓存上游模块输出数据，当数据量达到1024个256位宽时，DMA模块开始启动一次DMA传输，从AXI_FIFO模块读取数据传输至PS端DDR中，其数据大小以及存储空间，由PS端通过AXI_GP接口控制；AXI_DMA模块用于传输PS数据到PL中，当上位机通过串口模块下发参数给PS端后，PS端将启动一次DMA把数据传输给PL的参数解析模块。
8.根据权利要求1所述的基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，其特征在于，所述参数解析模块用于PS端下发命令的接收与解析，控制CX8142芯片的工作模式，以及DDR读写控制模块存储多大容量的数据。
9.根据权利要求1所述的基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，其特征在于，所述传感器接口模块根据不同的传感器接口实例化不同的IP核控制传感器的读写控制，配置传感器芯片工作模式以及接收状态信息。
10.根据权利要求1所述的基于Zynq的近感雷达回波数据和状态信息采集系统，其特征在于，所述网口模块用于上传回波和参考数据给上位机进行数据分析与验证。
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