阅读说明：本技术 一种基于fpga的fmcw毫米波雷达测距片上系统 (FPGA-based FMCW millimeter wave radar ranging chip system ) 是由 张润曦 周洲 甘亮羽 刘元 羊靖怡 石春琦 陈光胜 潘松 李延中 于 2020-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于FPGA的FMCW毫米波雷达测距片上系统,该片上系统包括中央处理单元、高级微控制器总线、两块静态随机存取存储模块、液晶显示模块、通用异步收发传输接口、局域网控制器、通用输入输出接口、FMCW雷达信号处理模块、FMCW雷达射频前端模块及12位模拟数字转换模块,所述片上系统在FPGA上实现。该片上系统通过高级微控制器总线将各模块连接在一起；所述FMCW雷达射频前端模块与FMCW雷达信号处理模块通过12位模拟数字转换模块相连,通过高级高性能总线接口与高级微控制器总线连接。本发明可实时获取并处理FMCW雷达射频前端信息,并将处理后所得的的测距信息显示在液晶屏上,在无人机避障,汽车自动驾驶障碍物检测等,拥有广泛的应用前景。(The invention discloses an FMCW millimeter wave radar ranging system-on-chip based on FPGA, which comprises a central processing unit, a high-level microcontroller bus, two static random access memory modules, a liquid crystal display module, a universal asynchronous receiving and transmitting interface, a local area network controller, a universal input and output interface, an FMCW radar signal processing module, an FMCW radar radio frequency front end module and a 12-bit analog-to-digital conversion module, wherein the system-on-chip is realized on the FPGA. The system on chip connects the modules together through a high-level microcontroller bus; the FMCW radar radio frequency front-end module is connected with the FMCW radar signal processing module through a 12-bit analog-digital conversion module and is connected with an advanced microcontroller bus through an advanced high-performance bus interface. The invention can acquire and process FMCW radar radio frequency front end information in real time, and display the processed ranging information on the liquid crystal screen, and has wide application prospect in unmanned aerial vehicle obstacle avoidance, automobile automatic driving obstacle detection and the like.)

一种基于FPGA的FMCW毫米波雷达测距片上系统

技术领域

本发明属于毫米波雷达及Soc片上系统领域，具体涉及一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的调频连续毫米波（FMCW）雷达测距片上（Soc）系统。

背景技术

在过去，除了微处理器和微控制器，没有多少芯片设计有内部嵌入式处理器。自从Arm Cortex-M处理器发布以来，这种情况发生了显著变化，随着物联网(IoT)的快速发展，越来越多带嵌入式处理器的设备出现了。如今，Arm处理器被用于智能传感器、智能电池(例如，用于电池健康监测)无线通讯芯片组、电力电子控制器等。这一趋势是由需要更紧密的系统集成，额外的功能特性和更好的系统可靠性。SoC设计是一个充满机遇的令人兴奋的行业——基于Cortex-M的应用SoC的范围包括消费品、工业和汽车应用、通信、农业、交通、保健/医疗等随着物联网设备市场的不断扩大，需求越来越大在SoC设计中嵌入处理器的情况在不断增加。Cortex-M处理器，如Cortex-M0、Cortex-M0+和Cortex-M3，体积功耗小，可以集成进入一系列SoC设计很容易。与Arm设计启动降低成本的障碍，许多小企业和初创企业正在利用这一点来开发他们自己的SoC解决方案更好的产品差异化。

在汽车防撞传感器当中，根据工作原理和工作过程不同，分为超声波雷达、红外雷达、激光雷达以及毫米波雷达。其中前三种雷达，都是通过对回波的检测，与发射信号相比较，得到脉冲或相位的差值，从而计算出发射与接收信号的时间差。再分别对应于超声波、红外线、激光在空气中的传播速度，计算出与障碍物的距离与相对速度。这三种采用声光原理设计出的汽车防撞雷达虽结构简单，价格低廉，但容易受到恶劣气象条件干扰，无法确保测距精度。毫米波雷达则显示出它特有的优点，与光学和红外线雷达相比不受目标物体形状颜色的干扰，与超声波相比不受大气紊流的影响，因而具有稳定的探测性能；环境适应性好。受天气和外界环境的变化的影响小，雨雪，灰尘，阳光都对其没有干扰；多普勒频移大，测量相对速度的精度提高。

发明内容

本发明的目的将FMCW雷达、信号处理和人机交互集成在一起而提供一种基于FPGA的FMCW毫米波雷达测距片上系统，通过该系统，可以实时的完成对FMCW雷达所检测到信号进行处理，将处理的结果——距离信息，通过CortexM3内核控制器，将距离信息实时显示在LCD屏幕上或通过UART、CAN等接口对外输出。实现了一款搭载了FMCW雷达的MCU，预留有调试接口，可供使用本系统的人员进行二次开发。本发明旨在提供一种毫米波雷达测距片上系统。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于FPGA的FMCW毫米波雷达测距片上系统，特点是该片上系统设置于现场可编程门阵列即FPGA中，包括中央处理单元CortexM3、高级微控制器总线即AMBA3.0总线、第一静态随机存取存储器模块即第一SRAM模块、第二静态随机存取存储器模块即第二SRAM模块、液晶显示器模块即LCD模块、通用异步收发传输器接口即UART接口、局域网控制器即CAN控制器、通用输入输出接口即GPIO接口、FMCW雷达信号处理模块、FMCW雷达射频前端模块及12位ADC模块，其中：

所述FMCW雷达射频前端模块的输出与12位ADC模块的输入相连；

所述12位ADC模块的输出与FMCW雷达信号处理模块的输入相连；

所述FMCW雷达信号处理模块由ADC接口模块、FIR滤波器模块、跨时钟域处理模块、快速傅里叶变换模块、取模寻峰模块、数据寄存器及AHB接口模块组成，所述ADC接口模块连接12位ADC模块的输出，ADC接口模块输出连接FIR滤波器模块的输入，FIR滤波器模块的输出与跨时钟域处理模块输入连接，跨时钟域处理模块输出连接快速傅里叶变换模块，快速傅里叶变换模块的输出与取模寻峰模块相连，取模寻峰模块的输出连接数据寄存器模块，数据寄存器的输出与AMBA3.0总线相连；

所述LCD模块由8080接口模块和TFT-LCD屏幕组成，8080接口模块的输出连接TFT-LCD屏幕的输入，8080接口模块的输入连接AMBA3.0总线；

所述中央处理单元CortexM3与AMBA3.0总线相连；

所述AMBA3.0总线，是基于AMBA3.0总线协议，将CortexM3、第一SRAM、第二SRAM、LCD模块、UART接口、CAN控制器、GPIO接口和FMCW雷达信号处理模块连接。

所述FMCW雷达射频前端模块，使用的是英飞凌公司所生产的Position2Go雷达开发板，射频芯片型号为BGT24MTR12；

所述12位ADC为黑金高速AD模块AN9238；

所述TFT-LCD屏幕采用的是ALIENTEK公司生产的4.3寸8080屏幕；

所述两块SRAM、LCD模块，一块用作CortexM3的指令存储器，一块用作CortexM3的数据寄存器；

所述FMCW雷达射频前端模块采用三角波调制方式；

所述模块的载波频率为24GHz；所述模块的调制周期为200us所述扫频控制模块的扫频带宽为200MHz。12位ADC的采样频率为1.28MHz。

所述FPGA的型号为XC7A35T。

本发明的优点是：

1）本发明采用可编程逻辑器件FPGA作为搭建平台，节约了成本，同时加速设计的验证周期。

2）本发明可以得到实时雷达探测出目标的距离信息，并可以通过不同的接口与不同的系统相连，完成二次开发。

附图说明

图1为本发明系统结构框架图；

图2为本发明FMCW雷达信号处理模块结构框图；

图3为本发明实施例2在多障碍环境下系统实际测试结果图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

参阅图1，本发明的片上系统包括中央处理单元CortexM3、高级微控制器总线即AMBA3.0总线、第一SRAM、LCD模块、第二SRAM、LCD模块、UART接口、CAN控制器、GPIO接口、FMCW雷达信号处理模块、FMCW雷达射频前端模块及12位ADC模块，其中：

所述FMCW雷达射频前端模块的输出与12位ADC模块的输入相连；

所述12位ADC模块的输出与FMCW雷达信号处理模块的输入相连；

所述FMCW雷达信号处理模块由ADC接口模块、FIR滤波器模块、跨时钟域处理模块、快速傅里叶变换模块、取模寻峰模块、数据寄存器及AHB接口模块组成，所述ADC接口模块连接12位ADC模块的输出，ADC接口模块输出连接FIR滤波器模块的输入，FIR滤波器模块的输出与跨时钟域处理模块输入连接，跨时钟域处理模块输出连接快速傅里叶变换模块，快速傅里叶变换模块的输出与取模寻峰模块相连，取模寻峰模块的输出连接数据寄存器模块，数据寄存器的输出与高级微控制器总线相连；

所述LCD模块由8080接口模块和TFT-LCD屏幕组成，8080接口模块的输出连接TFT-LCD的输入，8080接口模块的输入连接高级微控制器总线；

所述中央处理单元CortexM3与AMBA3.0总线相连；

所述AMBA3.0总线，是基于AMBA3.0总线协议，通过总线把CortexM3、总线、第一SRAM、第二SRAM、LCD模块、UART接口、CAN控制器、GPIO接口和FMCW雷达信号处理模块连接起来。

本系统运行如下：

步骤S1：外部电源给FPGA供电，整个片上系统开始启动；

步骤S2：FMCW雷达射频前端模块以载波频率为24GHz、调制周期为200us、扫频带宽为200MHz工作；

步骤S3：12位ADC模块开始采样FMCW雷达射频前端模块输出的中频信号，将其转换成数字信号；

步骤S4：12位ADC模块采样好的数据送给ADC接口，ADC接口将数据给FIR滤波器进行低通滤波处理；

步骤S5：FIR滤波器处理好的数据送入到跨时钟域处理模块，完成数据在不同时钟域下的转换。

步骤S6：快速傅里叶变换模块抽取跨时钟域处理模块的输出数据，每抽完128个数据进行一次快速傅里叶变换的运算。每次运算完的128个实部和虚部结果送入取模寻峰模块。

步骤S7：取模寻峰模块对快速傅里叶变换模块运算结果的实部和虚部进行平方和。

步骤S8：M3通过AMBA总线实时读取取模寻峰模块的结果，将128个结果进行比对，寻找频谱峰值的点，计算出被测目标的距离，同时控制LCD显示距离信号以及频谱信息。

步骤S9：M3将处理好的结果，通过AMBA总线，传输给CAN控制器，实时输出距离信息。

步骤S10：可通过UART串口，实时观察M3的处理的距离以及频谱结果。

实施例2

本系统FMCW雷达前端射频模块以载波频率为24GHz、调制周期为200us、扫频带宽为200MHz，工作ADC模块的采样位数为12位，ADC的采样速率为1.28Msps。每个周期ADC有128个数据。具体步骤参阅实施例1。

参阅图3，C图为本系统实拍图；A图显示了测试地点以及周边环境，雷达侧对着两部并排停靠的汽车，部分电磁波波面打在左边小轿车的车头，部分打在右边小轿车的车尾部，导致有两个不同距离的目标存在。在实际应用场景中也希望能在道路上判别出这样的情况。正视图如图B所示。C图显示了本系统判别的多目标的情况上方为多目标距离数据，中间是多目标雷达图显示图；LCD显示屏幕下方显示了即时中频信号的频谱图，并将目标追踪显示在它上面，此时两物体显示的距离为目标1为3.94m，目标2为7.50m。