基于DSP和FPGA的汽車防撞高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

蔣偉

（無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 無錫 214206）

隨著人們生活水平的提高，公路上的私家車輛也增多了，但隨之帶來的問題就是交通事故發(fā)生率居高不下，嚴(yán)重危害著人們的生命安全。文中就如何預(yù)防交通事故發(fā)生，研究設(shè)計(jì)一種響應(yīng)迅速、高可靠性并且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的汽車防撞報(bào)警設(shè)備。該設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵任務(wù)是利用置于汽車車頭左右兩端的雙路通道高速采集激光雷達(dá)回波信號(hào)[1]并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和處理，進(jìn)而快速測(cè)量自身交通工具與障礙物之間的距離及相對(duì)速度。

1 系統(tǒng)概述

對(duì)用于高速公路中的雷達(dá)系統(tǒng)而言，考慮到開車的速度比較快，對(duì)于一些突發(fā)事件無法立刻做出響應(yīng)，因此就要求設(shè)計(jì)的防撞雷達(dá)探測(cè)距離盡量長(zhǎng)些，可讓駕駛員提前做好安全準(zhǔn)備工作，因此這種高速公路防撞系統(tǒng)一般選用激光探測(cè)法。采用激光測(cè)距的汽車防撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram

2 硬件總體設(shè)計(jì)原理及框圖

對(duì)于激光雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)過光電器件轉(zhuǎn)換后形成的電信號(hào)，其信號(hào)頻率高，脈沖寬度相對(duì)比較窄，信號(hào)幅度低，背景噪音大，如果是選用低速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的話，那么將會(huì)存在數(shù)據(jù)精度不高的不足，所以必須采用高采樣率、高分辨率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)總體原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體原理框圖Fig.2 Overall system block diagram

該系統(tǒng)的主要信號(hào)流程：由激光傳感器獲得的2路激光雷達(dá)回波信號(hào)先通過緩沖放大等前端調(diào)理后，同時(shí)送到AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后可以同時(shí)被中央邏輯控制模塊FPGA來采集，這樣相對(duì)于用DSP的分時(shí)采集來說，極大的提高了速度。FPGA一方面完成對(duì)A/D的采樣控制，另一方面與DSP的EMIF接口形成傳輸通道，完成了AD與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，避免了ADC直接與DSP通信，降低了對(duì)大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Α?/p>

2.1 前端信號(hào)調(diào)理電路

2.1.1 前端放大電路

從傳感器中輸出的信號(hào)必須經(jīng)過調(diào)理才能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了達(dá)到最高的測(cè)量精度，應(yīng)該使被測(cè)信號(hào)的電壓變化范圍放大至ADC最大量程附近，所以需要將傳感器出來的小信號(hào)通過前端放大電路線性放大成適合系統(tǒng)的的電信號(hào)。在本系統(tǒng)中主要選用了AD公司生產(chǎn)的AD8062低成本的運(yùn)放模塊來實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示。

圖3 前端放大電路Fig.3 Front-end amplifier

2.1.2 前端差分電路

為了消除偶次諧波分量，抑制共模噪聲源，起到系統(tǒng)抗干擾的效果，本系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換電路采用差分輸入的形式，而信號(hào)經(jīng)過放大電路后得到的是單端信號(hào)，所以，必須要將前端的輸入單端信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用了ADI公司生產(chǎn)的AD8620驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成差分驅(qū)動(dòng)電路，其具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 單端轉(zhuǎn)差分電路Fig.4 Differential driver

2.2 AD轉(zhuǎn)化電路

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中AD是比較重要的環(huán)節(jié)，主要完成對(duì)激光回波信號(hào)的采集工作，而采樣時(shí)鐘信號(hào)可以由FPGA電路內(nèi)部的時(shí)鐘模塊來提供。ADI公司的AD9481，可以采用差分輸入，采樣率達(dá)到250 MSPS，并且采用250 M的PECL標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)，為此在設(shè)計(jì)中為產(chǎn)生該差分時(shí)鐘信號(hào)，考慮選用MC100LVEL16的時(shí)鐘芯片。AD9481的數(shù)字輸出屬于并行接口，有16位的數(shù)據(jù)流，對(duì)于這么高速的數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此在設(shè)計(jì)時(shí)AD與FPGA的輸出端之間串接了一個(gè)100 Ω的電阻，可以消除出現(xiàn)在0～1之間的毛刺與高速數(shù)據(jù)線之間的干擾，具體的AD硬件原理如圖5所示。

圖5 AD硬件接線圖Fig.5 AD hardware wiring diagram

2.3 數(shù)據(jù)處理部分硬件電路

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分由FPGA和DSP兩個(gè)部分來完成。根據(jù)前一級(jí)AD電路的信號(hào)輸出時(shí)序進(jìn)行VHDL編程，來實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)兩路AD輸出的數(shù)字信號(hào)的采集，將數(shù)據(jù)輸入到FIFO模塊中，然后通過EMIF總線將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)紻SP里進(jìn)行相關(guān)算法的運(yùn)算。

2.3.1 FPGA電路

FPGA采用硬件編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，不僅能夠?qū)Σ杉降拇笈繑?shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)處理，而且作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘信號(hào)，保證數(shù)據(jù)的有序采集，而且作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶，保證了AD與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)合采樣存儲(chǔ)傳輸?shù)裙δ蹻PGA的模塊主要分為4個(gè)部分：時(shí)鐘管理模塊、A/D控制模塊、FIFO緩存模塊、與DSP的EMIF接口模塊：

1）時(shí)鐘管理模塊，該部分主要是產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各模塊的時(shí)鐘信號(hào)，本系統(tǒng)采用ISE軟件自帶的DCM模塊來實(shí)現(xiàn)。

2）A/D控制器：根據(jù)當(dāng)前選擇的采樣模式為A/D提供相應(yīng)的控制信號(hào)以使A/D正常工作；并通過AD電路的信號(hào)輸出時(shí)序?qū)D輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集。

3）FIFO緩存模塊：主要實(shí)現(xiàn)將高速采集到的數(shù)據(jù)緩存到FIFO中。當(dāng)緩存滿時(shí)，F(xiàn)IFO的滿標(biāo)志（full）向DSP申請(qǐng)中斷，DSP相應(yīng)中斷后采用DMA傳輸方式把采樣數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。

4）與 DSP的 EMIF接口模塊：DSP通過 EMIF接口與FPGA內(nèi)部的RAM連接，實(shí)現(xiàn)了將FPGA中緩存的數(shù)據(jù)與DSP進(jìn)行高速傳輸?shù)淖饔谩?/p>

2.3.2 DSP與FPGA的接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)[2]中DSP主要是通過C6713器件的外部存儲(chǔ)器接口EMIF[3]與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）是TMS DSP器件上的一種接口。一般來說，EMIF可實(shí)現(xiàn)DSP與不同類型存儲(chǔ)器（SRAM、Flash RAM、DDR-RAM等）的連接。用EMIF與FPGA相連，從而使FPGA平臺(tái)充當(dāng)一個(gè)協(xié)同處理器、高速數(shù)據(jù)處理器或高速數(shù)據(jù)傳輸接口。

其EMIF的總線接口圖如圖6所示。

圖6 EMIF總線接口Fig.6 EMIF bus interface

在完成對(duì)EMIF的DSP配置后，接下來就是實(shí)現(xiàn)EMIF接口的FPGA配置工作，保證FPGA中的數(shù)據(jù)正常的讀入到DSP中。在FPGA中配置EMIF接口的連接圖如圖7所示。

圖7 FPGA中DSP的接口設(shè)計(jì)Fig.7 Interface design of FPGA and DSP

該模塊是DSP與FPGA進(jìn)行通信的接口模塊。通過該模塊，DSP可以實(shí)現(xiàn)向FPGA傳輸控制信號(hào)，F(xiàn)PGA也可以通過該模塊將FIFO中的數(shù)據(jù)傳給 DSP。CE、WE、RE、OE為 DSP輸入的使能信號(hào)，CLK為FPGA提供內(nèi)部時(shí)鐘，CLKOUT2是EMIF的輸出時(shí)鐘，為DSP與FPGA通信提供時(shí)鐘頻率，DSP_Addr（19：0）為 DSP 的輸入地址，DSP_DataBus（31：0）為DSP的數(shù)據(jù)總線。FPGA根據(jù)讀使能信號(hào)OE與片選信號(hào)CE的輸入邏輯來判斷EMIF是進(jìn)行讀操作還是寫操作。當(dāng)DSP通過EMIF讀取數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA中的數(shù)據(jù)從dpram_data（31：O）輸入，由 DSP_DataBus（31：0）管腳傳送給 DSP；若寫數(shù)據(jù)，將 DSP_DataBus（31：0）傳來的數(shù)據(jù)從 dout（31：0）送入 FPGA。

2.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊分為按鍵電路和LCD顯示電路。限于篇幅，本文僅介紹LCD電路。

LCD顯示部分我們采用真空熒光顯示點(diǎn)陣式VFD屏，其優(yōu)點(diǎn)是能高亮度發(fā)光。由于我們選擇的屏是5 V供電，所以由DSP過來的3.3 V的信號(hào)線需要經(jīng)過74LVC4245轉(zhuǎn)化為5 V，再與VFD屏的控制器接口相連，LCD控制器接口如圖8所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主要由DSP和FPGA組成[5]。其中DSP由系統(tǒng)初始化部分；系統(tǒng)功能模塊的EMIF模塊，F(xiàn)LASH模塊和SDRAM模塊組成以及人機(jī)交互模塊組成。而FPGA設(shè)計(jì)則由FIFO[4]模塊以及DCM模塊組成，軟件總體模塊框圖如圖9所示。

圖8 LCD接口電路原理圖Fig.8 LCD connection diagram

圖9 軟件總體功能框圖Fig.9 Functional block diagram of software

在整個(gè)系統(tǒng)中，DSP芯片負(fù)責(zé)DSP系統(tǒng)初始化部分和系統(tǒng)功能模塊兩個(gè)部分[6]。其中DSP系統(tǒng)初始化部分包括DSP引導(dǎo)程序，DSP芯片中各硬件寄存器的設(shè)置，以及EDMA，定時(shí)中斷等寄存器的設(shè)置。而系統(tǒng)功能模塊中，包括FLASH模塊和SDRAM模塊，由于本系統(tǒng)中DSP需要處理的數(shù)據(jù)容量比較大，自身的存儲(chǔ)容量不夠，所以一些數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)于FLASH中，而在運(yùn)行過程中，很多數(shù)據(jù)的處理也要在SDRAM中進(jìn)行；而DSP EMIF模塊主要用來連接FPGA，F(xiàn)LASH和SDRAM。

FPGA邏輯設(shè)計(jì)部分包括了AD邏輯設(shè)計(jì)，DCM邏輯設(shè)計(jì)以及FIFO模塊的邏輯設(shè)計(jì)。這塊功能設(shè)計(jì)的主要目的是利用FPGA的硬件邏輯模塊，同時(shí)進(jìn)行2路高速AD數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)放至由ISE軟件的IP core生成的FIFO中，最后由FIFO再通過由與EMIF相對(duì)應(yīng)的邏輯接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP中。而整個(gè)邏輯設(shè)計(jì)過程中，其時(shí)鐘均由DCM模塊來產(chǎn)生，DCM模塊可以由ISE軟件的IP core來生成，可以通過IP core生成系統(tǒng)需要的時(shí)鐘頻率，有延時(shí)少，抖動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。

最后人機(jī)交互程序主要是包括LCD模塊以及鍵盤模塊。其中LCD來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，而鍵盤模塊來對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

4 結(jié)束語

文中在對(duì)目前高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r、FPGA可編程控制器件和DSP數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的深入研究的基礎(chǔ)上，采用了高速ADC+FPGA+DSP的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一款高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠用于高速行駛的汽車防撞報(bào)警設(shè)備中，實(shí)時(shí)檢測(cè)目標(biāo)汽車與障礙物之間的距離，及時(shí)提醒駕駛員要提高警惕，注意安全駕駛。

[1]張?jiān)迄i.激光雷達(dá)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（2）:265-267.

ZHANG Yun-peng.High speed data acquisition system designed for lidar[J].Computer Measurement&Control，2006，14（2）:265-267.

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