现代电子技术
Modern Electronics Technique
May 2022Vol.45No.10
2022年5月15日第45卷第10期
0引言
线性调频连续毫米波（LFMCW ）雷达体积小、结构简单、距离分辨率与测距精度高，适合应用于近距离、高
精度探测。相比摄像头、红外、超声波等传感器，毫米波雷达在隐私保护、定位精度、探测范围和环境适应能力等方面具有独特的优势[1⁃2]。
当今LFMCW 雷达大都是采用FPGA 实现的数据采 DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2022.10.008
引用格式：麦超云，刘子明，黄传好.基于ZYNQ 的八通道数据采集控制系统设计与实现[J].现代电子技 挡风抑尘墙术，2022，45（10）：36⁃39.
基于ZYNQ 的八通道数据采集控制系统设计与实现
麦超云，刘子明，黄传好
（五邑大学智能制造学部，广东江门
529020）
摘
要：目前，线性调频连续波（LFMCW ）雷达射频前端和数据采集板大都来自美国德州仪器（TI ），对该系统的二次开
发较为困难、成本昂贵，且该仪器对雷达采集数据不能进行实时显示，不利于数据的分析。针对上述问题，文中提出一种基于ZYNQ 平台并采用AD9228作为模数转换器件的八通道数据采集系统。该系统通过上位机配置雷达参数，并将射频前端采集到的数据通过千兆以太网传输。为了减少传输数据之间的冗余，在采集系统中构造一种高效的传输数据结构，以有效提高传输速率。由于雷达数据量过大，上位机采用多进程对数据进行接收处理，并将雷达数据时域、频域及距离⁃多普勒信息实时显示。
实验结果表明：文中系统在长时间工作下运行稳定，千兆网传输速度可达到150Mb/s 以上，不存在丢帧的情况；相比于TI 的雷达采集系统，该系统具有结构简单、成本低廉、操作方便的优点。
关键词：八通道数据采集；系统设计；数据传输；雷达参数配置；数据接收；实时显示中图分类号：TN957⁃34
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X （2022）10⁃0036⁃04
Design and implementation of eight⁃channel data acquisition and
control system based on ZYNQ
MAI Chaoyun ，LIU Ziming ，HUANG Chuanhao
（Department of Intelligent Manufacturing ，Wuyi University ，Jiangmen 529020，China ）
Abstract ：At present ，the RF （radio frequency ）front end and data acquisition board of LFMCW （linear frequency modulated continuous wave ）radar are mostly from TI （texas instruments ），
but the secondary development of its system is difficult and expensive ，and the instrument cannot display the data acquired by radar in real time ，which is not conducive to data analysis.In view of the above⁃mentioned problems ，an eight⁃channel data acquisition system based on ZYNQ platform and AD9228taken as analog⁃digital converter is proposed.In the system ，the radar parameters are configured by means of the upper computer ，and the data collected from the RF front end is transmitted with gigabit Ethernet.In order to reduce the redundancy between transmission data ，an efficient transmission data structure is constructed in the acquisition system to improve the
transmission rate effectively.Due to the large amount of radar data ，the host computer receives and processes the data by means of multiprocess ，and the time domain ，frequency domain and range⁃Doppler information in the radar data are displayed in real time.The experimental results show that the system can run stably in long ⁃time operation ，the transmission speed of gigabit network can reach more than 150Mb/s ，and there is no frame loss.In comparison with radar acquisition system made by TI ，
this system has advantages of simple structure ，low cost and easy operation.Keywords ：eight ⁃channel data acquisition ；system design ；data transmission ；radar parameter configuration ；data
receiving ；real⁃time display
收稿日期：2021⁃10⁃20
修回日期：2021⁃11⁃29
基金项目：国家自然科学基金项目（61771347）；广东普通高校人工智能重点领域专项（2019KZDZX1017）；广东省基础与应用基础研究基金项目
（2019A1515010716）；广东省普通高校基础研究与应用基础研究重点项目（2018KZDXM073）；广东省数字信号与图像处理技术重点实验室开放基金（2019GDDSIPL⁃03）
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集系统[3]，其系统构建复杂、开发维护难度大且灵活性低下[4]。目前在LFMCW 雷达前端和采集开发板大部分都来自于美国德州仪器（TI ），其二次开发难度困难、功能单一、不具有灵活性，且成本昂贵，不能在采集数据的同时对数据进行实时分析。
花生采摘机针对上述问题，有开发团队采用FPGA +ARM 的ZYNQ 研制开发数据采集板[5⁃9]，然而基于ZYNQ 平
台的AD 采集系统往往比较僵硬，不能对系统实行有效控制，缺少一定的灵活性；且对系统回传的数据不能够实现实时可视化处理，从而难以对数据进行分析。本文提出一种基于ZYNQ 的八通道采集系统，可以根据功能需要配置不同的采集参数，具有较高的灵活性；为了提高传输的有效速率，提出一种结构灵活、冗余低的传输数据结构。
1系统总体架构
ZYNQ 全可编程SOC 是基于Xilinx 全可编程可扩展
处理平台结构[10⁃11]，其内部集成了ARM 公司的双核Cortex TM ⁃A9处理器系统（Processing System ，PS ）和Xilinx 的可编程逻辑单元（Programmable Logic ，PL ），实现了软
件和硬件的协同设计，同时也大大缩短了系统的开发时间[12]。因此，ZYNQ 全可编程SOC 在嵌入式领域得到了广泛的应用。本文采用ZYNQ 作为开发板，ZYNQ 的异构架构可以更好地利用FPGA 的资源，降低开发难度、提高开发效率[13]。
AD9228是ADI 公司针对全数字超声系统推出的
四通道单芯片模拟前端，顺应了当今仪器向小型化、便携式方向发展的趋势。该芯片可明显降低仪器的噪声，
各项性能指标均有显著提高[14]。
本文设计的八通道采集系统采用Xilinx 公司的ZYNQ 系列7020芯片，ADC 模块则是由2个AD9228芯片组合而成。AD9228芯片为4路A/D 数据采集通道，使得ADC 模块具有八通道数据采集，很好地提高了数据采集的效率。其采集系统原理框图如图1
所示。
图1采集系统总体框架
本系统可根据需求，在上位机中灵活地进行参数配置，这些参数会通过串口传递至ZYNQ 的ARM 及PS 部分，PS 再通过M_AXI_GP 口向1个位宽32，深度1024的4KB BRAM （Block RAM ）中依次存入这些参数。每当PS 向BRAM 完成写入参数数据后，该系统会再通过
AXI GPIO 输出一个上升沿信号。该信号会被ZYNQ 的
FPGA ，即PL 部分捕获。捕获后便会立即将参数读取出，并引用到采集数据的状态机上。PL 再将采集ADC 的数据传入PS ，PS 再通过CAT⁃6标准千兆以太网线缆
进行上传，最后上位机接收到信号后对数据进行解包和分析。其总体系统流程如图2
所示。
图2基于ZYNQ 的八通道数据采集系统总体流程
2
系统主要模块设计
2.1
RAM 结构设计
本文采用3个宽度为32、深度为32KB 的BRAM ，2个AD9228数模转换芯片，即8路A/D 数据，其每一路A/D 数据宽度均为12位。本系统将8路采集的A/D 数据拼位到3个32位的BRAM 中，这样便可充分利用传输
空间、提高传输效率，其拼位示意图如图3
所示。图38路12位A/D 拼入3个32位RAM 示意图
2.2
雷达参数控制设计
ZYNQ 采集数据的流程如图4所示，首先根据需求
输入frame 、帧间隔、chirps 和PRT ，然后初始化采集和跳过的chirp 数。系统判断采集到的帧数是否符合要求，如符合则采集数据结束，如不符合则进行下一帧的采集。在每一帧中系统将根据输入的参数采集chirp 和跳
过chirp 。采集数据的结构示意图如图5所示。图5中各参数含义如表1所示。
3系统测试
为了验证数据采集系统功能，进行测试实验。硬件
系统如图6所示，上位机数传界面如图7所示。根据需
麦超云，等：基于ZYNQ 的八通道数据采集控制系统设计与实现37
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求，可通过数据传输界面灵活地改变配置参数并将其
下发。
图4ZYNQ
采集数据流程
图5采集数据的结构示意图
表1各参数含义
参数名frame PRT frame_in chirps jump
含义
一共需要采集的帧数chirp 的同步脉冲周期帧与帧之间的时间间隔，即帧周期
每一帧中所需的chirp 数每一帧中需跳过的chirp 数
（jump=帧间隔/PRT⁃chirp ）
在打开上位机软件之前，先用CAT⁃6标准千兆以太网线连接采集系统硬件平台和PC ，再用USB 线缆连接。采集系统硬件平台如图6所示。
完成连接操作之后打开上位机软件，并对配置参数进行设置，上位机软件界面如图7所示。
配置完参数之后便可以对数据进行采集。上位机可实时显示采集到数据的时域、频域及RD （Range ⁃Doppler ）图，便于分析采集的数据。图8为实时采集的场景图，图9和图10则是对应的
RD 图及时域、
频域图。
meno2
图6
采集系统硬件平台
图7
上位机软件界面
图8采集系统工作场景图
测试数据如表2所示。由表2可知，传输速率均可在150Mb/s 以上，且数据采集系统在长时间数据传输过程中也表现得相当稳定，实时性好，数据丢帧率为0。
4结论
本文基于ZYNQ7020芯片和2个AD9228芯片，构建一种八通道采集控制与数据显示系统。该系统可以对ZYNQ 的PL 部分A/D 数据采集状态机进行动态配参，具有很好的灵活性，且构建了一种新的传输结构。本文优化了传输数据的结构，提高了传输数据空间的利用
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率，从而有效地提高了千兆以太网传输的效率。该系统传输的结构也可以根据需求进行灵活变动，满足了在不
胎盘提取液
同条件下对数据采集的需求。筋膜放进B里面
图9对应图8场景的RD
图
图10对应图8场景的时域和频域图
表2数据传输测试结果
采集帧数/帧
600
16006000
采集时间/s
132352
1320采集速度/（Mb/s ）
162160157
丢帧率/%
000
参
考
文
献
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作者简介：麦超云（1989—），男，广东江门人，博士，讲师，研究方向为信号与信息处理、雷达波形设计、FPGA 硬件开发。
刘子明（1997—），男，湖北潜江人，硕士研究生，研究方向为雷达信号处理、FPGA 硬件开发。黄传好（1995—），男，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向为数字信号处理、无线通信。
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