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[经验] TI毫米波雷达硬件系统架构简要说明

2019-9-17 09:05:02  4869 毫米波 雷达
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本文为 ti 毫米波雷达系统架构概述,主要介绍芯片的硬件部分,包括 xWR1xx 子系统、接口和内部模块。此外,还对 mmWave 软件和工具进行了简要说明。
xWR1xx 子系统:
此图片为 TI AWR1x 系列的复合框图:


RF/analog SS:射频/模拟子系统,RF and Analog Sub-system。包含时钟子系统、发射子系统、接收子系统。其中:
时钟子系统包含RF合成器和晶体振荡器等。时钟子系统根据 40MHz 晶振的输入参考产生 76 到 81 GHz 频谱。

发射子系统包含功率放大器(PA)。发射子系统由两/三个并行发射链组成,每个发射链都有独立的二进制相位和幅度控制。

接收子系统由四个并行通道组成。单个接收通道由低噪声放大器 LNA,混频器,中频IF)滤波,模数转换器(ADC)和抽取组成。

射频/模拟子系统还包含温度传感器、电压监控器和通用 ADC 等模块。

RSS:雷达子系统,Radar Sub-system,又叫射频处理器子系统,负责毫米波前端配置与运作。
雷达子系统包括 DFE(数字前端)和 斜坡发生器。包含专用 Cortex R4F MCU,用于配置、监控和校准低电平射频/模拟组件。此 MCU 不能用于客户应用,MSS 必须通过硬件 Mailbox 和定义好的 API 访问 RSS。

MSS:主子系统,Master Sub-system,指 Cortex R4F 运作系统,用于运行应用程序代码,包括、主系统运作、雷达子系统(BSS)控制、雷达硬件加速器(HWA)或 DSP 及外部界面通讯,并执行雷达信号处理。

DSS:DSP子系统,DSP Sub-system,所指的C674x DSP 运作系统。通常用于在进行物体检测前原始 ADC 数据的处理,包括 FFT、CRC 引擎信号检测及雷达信号处理。

HWA:硬件加速器,Hardware Accelerator,处理硬件加速器驱动程序。它可以进行简单的 pre-FFT处理、幅度和对数幅度计算,还可以用于加速 FFT 和 CFAR 检测。



xWR1xx 内部模块:
LNA:低噪声放大器,Low-Noise Amplifier。噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器,以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合,放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重,因此希望减小这种噪声,以提高输出的信噪比。
IF:中频,Intermediate Frequency。是指高频信号经过变频而获得的一种信号。为了使放大器能够稳定的工作和减小干扰。一般的接收机都要将高频信号变为中频信号。
IFA:IF 放大器,IF loopback-based IF Amplifier。是功率放大器的一种,同时具有选频的功能,即对特定频段的功率增益高于其他频段的增益。目前的雷达接收机和通讯接收机通常都采用超外差接收原理,它是超外差接收机中的一个重要部分 ,它具有放大中频信号、抑制噪声和相邻通道的干扰以及自动增益控制 (AGC) 等功能。
BIST:内置自检,Built-in self test,在 Radar 芯片中是指 射频处理器子系统。是在设计时在电路中植入相关功能电路用于提供自我测试功能的技术,以此降低器件测试对自动测试设备(ATE)的依赖程度。
DFE:数字前端,Digital Front End,负责过滤并对原始 sigma-delta ADC 输出进行采样抽取,根据可编程的采样率提供最终的 ADC 数据样本。
MCU:微控制器(单片机),microcontroller。是把 CPU 的频率与规格做适当缩减,并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口,甚至lcd驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。
DSP:数字信号处理器,Digital Signal Processor。是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。
PLL:锁相回路(锁相环),Phase Locked Loop。用来统一整合时脉讯号,使高频器件正常工作,如内存的存取资料等。PLL用于振荡器中的反馈技术。 许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步。一般的晶振由于工艺与成本原因,做不到很高的频率,而在需要高频应用时,由相应的器件VCO,实现转成高频,但并不稳定,故利用锁相环路就可以实现稳定且高频的时脉冲讯号。
DMA:直接内存存取, Direct Memory Access 。DMA 传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。它允许不同速度的硬件装置来沟通,而不需要依赖于 CPU 的大量中断负载。
EDMA:增强型直接内存存取,Enhanced Direct Memory Access。EDMA是数字信号处理器(DSP)中用于快速数据交换的重要技术,具有独立于CPU的后台批量数据传输的能力,能够满足实时图像处理中高速数据传输的要求。
mixer:混频器, 混频器是输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。混频器通常由非线性元件和选频回路构成。
ADC:模数转换器, Analog-to-Digital Converter。指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。

xWR1xx 接口:
TX:发射器,Transmitter。天线发射接口。
RX:接收器,Receiver。天线接收接口。
QSPI:队列串行外设接口,Quad Serial Peripheral Interface,可用于直接从串行闪存 。
SPI:串行闪存接口,Serial Flash interface,可选外部 MCU 接口。
SPI/I2C:串行闪存接口/集成电路总线, SPI/Inter-Integrated Circuit,用于进行电源管理 IC(PMIC)控制。
CAN:控制器局域网络,Controller Area Network,是ISO国际标准化的串行通信协议,  即DCAN接口 , 可用于直接与外部控制端通讯。
CAN-FD: 控制器区域网络-灵活数据速率,Controller Area Network-Flexible Data-Rate。 即 MCAN接口,具有更高的传输速率,更多的数据字节。传统的CAN一帧最多只能传输8个字节的数据,而CAN FD一帧最多可传输64个字节。
debug UARTs:调试 UART,用于调试。
Test/Debug:JTAG 用于调试/开发。
LVDS:低电压差分信号,Low-Voltage Differential signaling。一种信号传输模式,是一种电平标准,又称 RS-644 总线接口。高速 ADC 输出接口(用于记录)。
HIL:硬件在环,Hardware-In-the-Loop,用于进行硬件回路验证的高速输入。

mmWave 软件:


RTOS:实时操作系统,Real Time Operating System,是保证在一定时间限制内完成特定功能的操作系统。 mmwave 主系统运行在 RTOS 架构上。所有的驱动程序都附带 OSAL,可以将这些驱动程序移植到不同的 RTOS 系统。
OSAL:操作系统层抽象层,OSAL主要是一种任务分配资源的机制,从而形成了一个简单多任务的操作系统。它提供了如下的管理功能:1. 任务的注册、初始化、开始;2. 任务间的消息交换;3. 任务同步;4. 中断处理;5. 时间管理;6. 内存分配。
mmWave Link:用于 RSS 固件的驱动程序,并提供用于控制前端中每个硬件块的底层API 通过 Mailbox 完成主/子系统之间的通信协议。毫米波前端的低电平控制;通过 Mailbox 与 BSS 通信(前端);实现 BIST 子系统和主控子系统之间的通信协议。
mmWave Lib:处理关键算法程序,包含 FFT、CFAR-CA detector、Angle estimation。提供典型雷达处理链的元素或子功能的功能;针对 C674x 进行了优化;加快客户开发速度,减少软件开发工作,实现有效的雷达处理链。
mmWave API:应用程序编程接口,Application Programming Interface。是对 mmWaveLink 的抽象层控制,并为应用程序提供用于配置前端雷达感测,任务的简单API。同时也处理 R4F MCU和DSP子系统之间的同步和进程间通信。用于执行雷达感测任务的简单 API;毫米波前端和 DSS 的高级控制;在 mmWaveLink / IPC 和驱动程序之上运行。
CLI:命令行界面,是在图形用户界面得到普及之前使用最为广泛的用户界面,它通常不支持鼠标,用户通过键盘输入指令,计算机接收到指令后,予以执行。
mmWave SDK:提供各种基础软件组件/驱动代码,如 TI 的 SYS/RTOS 和 雷达芯片硬件控制设定及相对应的驱动程序。包括 mmWaveLink 和 mmWaveAPI 支持高级 API 对雷达传感器进行程序设计。包括适用于 DSP C67x和雷达硬件加速器的信号处理 Library。
mmWave Example:即用演示各种设计和实验的基础软件。通过演示,用户可以快速评估雷达功能是否符合需求,并可视化目标物体的距离、速度和角度 应用。(演示 如 液位感应和交通监控 .. 等应用)。

mmWave 工具:
mmWave Studio:它提供了系统估算器工具和原始 ADC 数据功能。系统估算器工具的目的是简化为 TI 的 毫米波雷达传感器定义线性调频脉冲,以实现所需感应配置这项复杂任务。用户可以提供应用输入,例如所需的最大距离、速度、距离分辨率、速度分辨率等,并且输出线性调频脉冲配置,此配置可与毫米波 API 配合使用,以便相应地对 传感器进行程序设计。

CCS IDE:Code Composer Studio Integrated Development Environment。业界领先的集成开发环境(IDE),用于开发,编译,调试和分析嵌入式应用的工具。包含了用于优化的 C/C++ 编译器、源代码编辑器、项目构建环境、调试器、性能评测工具以及多种其他功能。

Uniflash:一个软件烧录工具,用于对 TI MCU 的片上闪存和 Sitara 处理器的板载闪存进行编程。 Uniflash 具有 GUI,命令行和脚本界面。

mmWave Demo Visualizer:毫米波演示可视化。这是用于配置mmWave传感器并可视化由mmWave SDK演示生成的点云对象的TI Gallery APP。此应用程序旨在与用于毫米波器件的TI评估模块(EVM)上运行的mmWave SDK演示结合使用。

mmWave Sensing Estimator:毫米波传感估计器。这是基于场景参数计算 Chirp 配置的TI Gallery APP。它可以通过实时反馈 Chirp 配置和超出范围检查来实现 Chirp 的快速原型设计。

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