2024年5月21日发(作者：买智)
2022年8月15日
第45卷第16期
现代电子技术
ModernElectronicsTechnique
Aug.2022
Vol.45No.16
引用格式：麦超云，黄传好，刘子明.基于ZYNQ的双ADC数据采集系统的设计与实现[J].现代电子技术，2022，45（16）：35⁃39.
DOI：10.16652/.1004⁃373x.2022.16.007
35
基于ZYNQ的双ADC数据采集系统的设计与实现
麦超云，黄传好，刘子明
（五邑大学智能制造学部，广东江门
摘
529020）
要：目前使用的毫米波雷达主要采用线性调频连续波的方式，该调制方式短时间内会产生海量数据，对采集系统
的实时传输要求严格。另外，市场上没有合适的24GHz毫米波雷达采集系统的采集板卡。针对上述问题，文中提出一种基
于ZYNQ的8通道毫米波雷达高速数据采集系统。整个采集系统将ZYNQ芯片作为主控，通过串行外设接口控制24GHz毫
米波射频前端；内部通过状态机控制2颗AD9228芯片构成4组正交采集通道；上位机通过串行接口控制该采集系统，实现千
兆网口完成ADC采集之后的数据传输，同时上位机采用多进程方式对数据进行接收处理，并将目标信息实时显示。实际测
试结果表明：文中系统能够完成实地数据采集及传输，网络传输平均速率为150Mb/s，丢包率为0；相比于其他现成采集系
统，能够有效降低二次开发的难度，可为后期算法处理提供一套小体积、低功耗的数据采集系统。
关键词：毫米波雷达；数据采集；数据接收；数据传输；ZYNQ；系统设计；系统测试
中图分类号：TN957⁃34文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2022）16⁃0035⁃05
DesignandimplementationofdoubleADCdataacquisitionsystembasedonZYNQ
（FacultyofIntelligentManufacturing，WuyiUniversity，Jiangmen529020，China）
MAIChaoyun，HUANGChuanhao，LIUZiming
Abstract：Atpresent，themillimeterwaveradarmainlyadoptsthemodeoflinearfrequencymodulationcontinuouswave，
whichwillproducealargeamountofdatainashorttime，andhasstrictrequirementsonthereal⁃timetransmissionofthe
basis，an8⁃channelmillimeter⁃waveradarhigh⁃speeddataacquisitionsystembasedonZYNQisproposed.
r，thereisnosuitableacquisitionboardsforthe24GHzmillimeterwaveradaracquisitionsystemin
Intheentireacquisitionsystem，theZYNQchipistakenasthemaincontrolonetocontrolthe24GHzmillimeter⁃waveratio
rcomputerisusedtocontroltheacquisition
frequencyfront⁃nternalofthesystem，thestatemachineisusedtocontrol
systemthroughaserialinterfacetorealizethedatatransmissionofGigabitEthernetportafterADCacquisition，receiveand
processthedatainthemulti⁃processmode，ualtestingresultsshowthat
thesystemcancompletecollectionandtransmissionoffielddata，theaveragetransmissionrateofthenetworkcanreach
reducethedifficultyofsecondarydevelopmentandprovideasmallvolumeandlowpowerconsumptiondataacquisitionsystem
forlateralgorithmprocessing.
testing
150Mb/s，arisonwithotherready⁃madecollectionsystems，thissystemcaneffectively
Keywords：millimeterwaveradar；dataacquisition；datareception；datatransmission；ZYNQ；systemdesign；system
0引言
及安防方面。不同于目前主流光学摄像头设备，毫米波
雷达具备了高精度、抗干扰、全天候工作的特性，在自动
驾驶、安防检测等领域具有更加优秀的表现
[1]
。对毫米
波雷达目标检测性能的要求不断提高，导致大量数据需
随着射频传感器在工艺上的突破，毫米波雷达已经
应用在不同领域，包括自动驾驶的巡航系统、路面测速
收稿日期：2022⁃01⁃06修回日期：2022⁃02⁃16
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
（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）
36
现代电子技术
2022年第45卷
因此对数据传输的实时性要求严苛
[2]
。采集和处理，
通常在数字信号处理领域，常用的核心器件主要集
中于微型处理器，专用DSP和FPGA
[3⁃8]
。目前一些主流
的信号处理核心器件采用STM32高端单片机等微处理
器，虽然该方案功耗低、价格低廉，但是这种架构的数据
采集传输方式因为单片机时钟频率较低，导致速率不满
足实时数据传输处理的要求，仅仅应用在低速数据采集
和对实时性要求不高的场景，同时采集精度误差较大。
而另一种方法则是采用DSP+FPGA架构的平台，FPGA
采用并行处理，可大幅度提高数据的采集传输速率，但
这些平台接口单一不利于标准化，操作不易随时控制，
同时基于FPGA实现网络传输较为困难，开发难度较
大。相较于上述两种方式，Xilinx公司推出的一款SoC
（SystemonChip）芯片ZYNQ，其内部可分为逻辑处理
（ProcessingLogic，PL）与处理系统（ProcessingSystem，
PS）两部分，其中PL端采用Xilinx7系列的现场编程阵
列，PS端则是一块双核ARMCortex⁃A9处理器。ZYNQ
内部实现了PL与PS之间高带宽、高性能的AMBA⁃AXI
总线互联，不仅降低了硬件设计难度，而且增加了毫米
波大量数据接收传输的稳定性和传送速率
[9⁃12]
模块：射频参数控制模块、系统时钟控制模块、数据存储
及传输模块、ADC数据采集模块。
图1系统整体方案
2.1
采集系统雷达前端的参数配置指令是通过SPI协
射频参数控制
议进行。该射频前端需要同时配置两种参数，一种是其
工作方式，包括功放大小设置；另一种则是毫米波发送
波形的控制，包括线性调频波的周期、脉冲宽度及带宽
配置。ZYNQ芯片集成2个SPI控制器，同时系统要做
到上位机随时可控，指令解析模块对上位机串口配置参
数进行解析；然后依据射频芯片数据手册，采用SPI接
口按照时序完成相关寄存器的配置。
2.2
为了满足系统长时间稳定的工作，保持信号相位的
系统时钟控制实施方案
。本文采
用ZYNQ的7Z020⁃400系列芯片，配合2颗4路AD9228
的ADC芯片
[13⁃14]
，外加DDR3内存构成毫米波雷达采集
系统。首先利用ZYNQ逻辑部分编写ADC控制电路；然
后将雷达射频前端的数据经过ADC采集，并将4组正交
数据通过千兆网口发送到上位机；最后上位机对数据进
行处理，获取目标信息。实际测试结果表明，该系统可
满足数据传输的实时性和可靠性。
一致性，系统时钟由射频前端晶振提供，通过ZYNQ内
部时钟管理模块将时钟分别输入到PS与PL端。其内
部各个模块的时钟分布如图2所示。
1系统整体方案
采集系统整体利用上位机通过串口进行控制，可同
时配置工作模式及控制系统的启动终止。系统方案如
图1所示。上位机通过串口通信接口将控制命令传送
到ZYNQ的采集板上；指令解析模块将这些指令通过不
同的通信方式发送到目的模块，其中内部数据通信采用
了双口BRAM，该IP核将两个不同时钟域的数据进行调
制，保证数据的准确性。当射频前端正确配置完毕之
后，会返回同步脉冲，此时数据采集模块的状态机捕获
该脉冲上升沿，依照配置参数在短时间内完成对中频信
号数据的采集和DDR3内存的写入，当满足采集要求之
后触发网口进行发送。上位机控制指令的下发和上传
数据的处理。
图2时钟控制实施方案
的40MHz时钟降为10MHz，作为ADC的采集频率，同
另外为消除各个模块时钟之间的差异性，通过DCM将
PL部分的时钟通过ZYNQ的DCM时钟模块将输入
时为了ADC数据精确对齐，设置一个参考延迟时钟。
时钟校正，作为数据采集模块的输入时钟，最后数据通
过千兆以太网口上传。
2系统模块设计
结合软硬件的分布和功能，整个系统主要分为4个
第16期
麦超云，等：基于ZYNQ的双ADC数据采集系统的设计与实现
37
2.3
数据采集及传输采用状态机的方式，其实施方案流
数据存储及传输模块
是采集系统的关键。AD9228支持10~40MHz采样率，
通过FPGA内部将时钟分频得到10MHz，通过OBUFG
分为ADCClkIn+和ADCClkIn-一对差分时钟，作为
AD9228的输入时钟，同时AD9228芯片会返回两对差分
时钟，分别为数据输出时钟对（DCO+）和（DCO-）以及数
据帧输出时钟（FCO+）和（FCO-）。FPGA在接收ADC输
出的差分串行信号时，需要考虑DCO边沿与数据边沿
所存在的相位差，只有设置合理的时序约束以满足建立
时间和保持时间，才能消除亚稳态。同时DCO也要和
FCO确定相位关系，因为仅靠DCO采集到的数据虽然
是正确的，但只是一串比特流，而不能确定数据的最高
位或者最低位，只有通过FCO进行比特序列调整才可
以恢复数据。针对FCO时钟，利用FPGA内部可编程IO
资源将（FCO+）和（FCO-）时钟转换为一路时钟FCO，再
通过FPGA内部的DCM资源将FCO的相位转换为初始
时钟120°作为数据输出的最终时钟；对于DCO路的时
钟，首先采用IBUFG将（DCO+）和（DCO-）数据时钟转
换为单路DCO，接着对该路数据进行延迟。AD9228输
出的原始数据也是经过特定的处理，首先将原始差分信
号转化为单路信号，然后经过延迟单元IDELAY2，最终
通过IDDR模块，将单时钟边沿改为双边沿输出，此时
一个时钟周期内将输出两位数据。处理之后的数据与
FCO的相位基本同步，FCO的上升沿与数据的最高位
对齐。
程如图3所示。具体步骤如下：首先状态机处于空闲状
态，等待上位机发送开始指令，如果上位机的指令完整
无误通过解析模块传输，则此时空闲状态跳转到判断状
态；在此状态会依次判断各个模块是否配置完毕，当满
足条件，则进行数据采集，CPU进而将状态机写入
BRAM里面的数据调入内存中，并触发网口，通过UDP
协议上传，上位机也将调用算法模块对数据进行处理。
图3数据存储及传输流程
2.4
其采集速度与精度将会影响整个系统的性能。本系统
ADC负责将前端数据由模拟信号转为数字信号，
ADC时钟及数据控制
图4ADC时钟与FPGA接口数据
3
3.1
系统整机测试
为了验证整个采集板卡的工作状态，对系统整机进
硬件测试
采用2片AD9228芯片构成4对IQ通道。ADC控制模块
的主要功能是控制ADC数据与时钟。当雷达的参数配
置完成之后，射频前端将返回同步信号脉冲，表示射频
前端已配置完成，此时ADC采集的数据才为有效数据。
ADC时钟与FPGA接口数据如图4所示。
ADC采集数据对时钟要求十分严格，数据的处理
行了多方面测试。毫米波雷达采集系统的整体硬件组
合如图5所示。该采集系统主要由一个ZYNQ⁃7Z020芯
片，配合2颗4路AD9228的ADC芯片，外加DDR3内存
构成。利用ZYNQ逻辑部分编写ADC控制电路，将雷达
38
千兆网口发送到上位机。
现代电子技术
2022年第45卷
射频前端的数据经过ADC采集并将4组正交数据通过
220ms。具体的参数配置如图7左边所示，37ms静态
目标的时域信号及傅里叶频谱图如图7右边所示。
表1网口数据传输结果
数据帧数
100
300
900
采集时间/s
25
67
200
采集速度（/Mb/s）
160
156
154
丢包率
0
0
0
图5采集系统硬件
为了验证该硬件整体的功耗，利用可编程电源提供
12V电压，设定额定电流1A，测得采集系统在无射频
前端的情景下，功耗为1.116W，如图6中电源显示屏所
示。当接上射频前端，工作电流达到0.724A，这时系统
功率为8.689W。当经过8h测试，功耗维持在8.6W
附近，表明该系统具有低功耗、稳定的特点。
图7参数配置及时频图
为了验证环境对毫米波采集的影响，在夜幕下进行
实地测试。设置前端带宽为5MHz，脉冲宽度为5μs，
脉冲周期为10μs，数据采集格式为150帧，帧间隔为
220ms。20ms左右的动态目标的时域信号及距离多普
勒如图8所示。
图8测试效果图
图6硬件功耗测试
通过多次户外测试结果表明，针对24GHz毫米波
雷达短时间内产生的大量数据，本文所设计的采集系统
都能稳定、高速地上传中频回波数据，同时上位机也能
实时将数据通过算法处理之后显示目标的相关信息。
3.2
为了验证系统数据传输速率，对千兆网口数据传输
测试结果表明，该采集系统长时间采集之后，数据传
实时性测试
速率进行了测试，其数据传输结果如表1所示。
输速率稳定在150Mb/s，实时性较好，数据丢包率为0。
3.3
为了验证整个采集板卡的功能有效性，进行实地
采集板卡功能有效性测试
4结论
本文基于ZYNQ平台提出了一套适用于24GHz毫
米波雷达的高速数据采集系统。该系统通过上位机控
制界面，能够将相关配置参数通过串口发送至采集板
卡，同时针对不同的应用场景控制数据的采集格式，最
测试。设置射频前端带宽为5MHz，脉冲宽度为5μs，
脉冲周期为10μs，数据采集格式为150帧，帧间隔为
第16期
麦超云，等：基于ZYNQ的双ADC数据采集系统的设计与实现
统的实现[J].通信技术，2020，53（7）：1645⁃1651.
39
终通过千兆以太网完成采集数据的上传和处理。测试
结果表明：该系统可以满足多种场景下对目标的检测，
同时满足实际需求；并且数据传输快、功耗低，在检测方
面具有较高的实用价值。
参考文献
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与应用，2017（34）：108.
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刊.贵阳：北京《计算机工程与应用》期刊有限公司，2017：308⁃
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[14]李芾.基于AD9680的高速多通道采样板设计[J].数字技术与
应用，2019，37（3）：178⁃179.
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。
黄传好（1995—），男，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向为毫米波雷达信号处理、数字逻辑电路设计。
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。
2024年5月21日发(作者：买智)
2022年8月15日
第45卷第16期
现代电子技术
ModernElectronicsTechnique
Aug.2022
Vol.45No.16
引用格式：麦超云，黄传好，刘子明.基于ZYNQ的双ADC数据采集系统的设计与实现[J].现代电子技术，2022，45（16）：35⁃39.
DOI：10.16652/.1004⁃373x.2022.16.007
35
基于ZYNQ的双ADC数据采集系统的设计与实现
麦超云，黄传好，刘子明
（五邑大学智能制造学部，广东江门
摘
529020）
要：目前使用的毫米波雷达主要采用线性调频连续波的方式，该调制方式短时间内会产生海量数据，对采集系统
的实时传输要求严格。另外，市场上没有合适的24GHz毫米波雷达采集系统的采集板卡。针对上述问题，文中提出一种基
于ZYNQ的8通道毫米波雷达高速数据采集系统。整个采集系统将ZYNQ芯片作为主控，通过串行外设接口控制24GHz毫
米波射频前端；内部通过状态机控制2颗AD9228芯片构成4组正交采集通道；上位机通过串行接口控制该采集系统，实现千
兆网口完成ADC采集之后的数据传输，同时上位机采用多进程方式对数据进行接收处理，并将目标信息实时显示。实际测
试结果表明：文中系统能够完成实地数据采集及传输，网络传输平均速率为150Mb/s，丢包率为0；相比于其他现成采集系
统，能够有效降低二次开发的难度，可为后期算法处理提供一套小体积、低功耗的数据采集系统。
关键词：毫米波雷达；数据采集；数据接收；数据传输；ZYNQ；系统设计；系统测试
中图分类号：TN957⁃34文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2022）16⁃0035⁃05
DesignandimplementationofdoubleADCdataacquisitionsystembasedonZYNQ
（FacultyofIntelligentManufacturing，WuyiUniversity，Jiangmen529020，China）
MAIChaoyun，HUANGChuanhao，LIUZiming
Abstract：Atpresent，themillimeterwaveradarmainlyadoptsthemodeoflinearfrequencymodulationcontinuouswave，
whichwillproducealargeamountofdatainashorttime，andhasstrictrequirementsonthereal⁃timetransmissionofthe
basis，an8⁃channelmillimeter⁃waveradarhigh⁃speeddataacquisitionsystembasedonZYNQisproposed.
r，thereisnosuitableacquisitionboardsforthe24GHzmillimeterwaveradaracquisitionsystemin
Intheentireacquisitionsystem，theZYNQchipistakenasthemaincontrolonetocontrolthe24GHzmillimeter⁃waveratio
rcomputerisusedtocontroltheacquisition
frequencyfront⁃nternalofthesystem，thestatemachineisusedtocontrol
systemthroughaserialinterfacetorealizethedatatransmissionofGigabitEthernetportafterADCacquisition，receiveand
processthedatainthemulti⁃processmode，ualtestingresultsshowthat
thesystemcancompletecollectionandtransmissionoffielddata，theaveragetransmissionrateofthenetworkcanreach
reducethedifficultyofsecondarydevelopmentandprovideasmallvolumeandlowpowerconsumptiondataacquisitionsystem
forlateralgorithmprocessing.
testing
150Mb/s，arisonwithotherready⁃madecollectionsystems，thissystemcaneffectively
Keywords：millimeterwaveradar；dataacquisition；datareception；datatransmission；ZYNQ；systemdesign；system
0引言
及安防方面。不同于目前主流光学摄像头设备，毫米波
雷达具备了高精度、抗干扰、全天候工作的特性，在自动
驾驶、安防检测等领域具有更加优秀的表现
[1]
。对毫米
波雷达目标检测性能的要求不断提高，导致大量数据需
随着射频传感器在工艺上的突破，毫米波雷达已经
应用在不同领域，包括自动驾驶的巡航系统、路面测速
收稿日期：2022⁃01⁃06修回日期：2022⁃02⁃16
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
（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）
36
现代电子技术
2022年第45卷
因此对数据传输的实时性要求严苛
[2]
。采集和处理，
通常在数字信号处理领域，常用的核心器件主要集
中于微型处理器，专用DSP和FPGA
[3⁃8]
。目前一些主流
的信号处理核心器件采用STM32高端单片机等微处理
器，虽然该方案功耗低、价格低廉，但是这种架构的数据
采集传输方式因为单片机时钟频率较低，导致速率不满
足实时数据传输处理的要求，仅仅应用在低速数据采集
和对实时性要求不高的场景，同时采集精度误差较大。
而另一种方法则是采用DSP+FPGA架构的平台，FPGA
采用并行处理，可大幅度提高数据的采集传输速率，但
这些平台接口单一不利于标准化，操作不易随时控制，
同时基于FPGA实现网络传输较为困难，开发难度较
大。相较于上述两种方式，Xilinx公司推出的一款SoC
（SystemonChip）芯片ZYNQ，其内部可分为逻辑处理
（ProcessingLogic，PL）与处理系统（ProcessingSystem，
PS）两部分，其中PL端采用Xilinx7系列的现场编程阵
列，PS端则是一块双核ARMCortex⁃A9处理器。ZYNQ
内部实现了PL与PS之间高带宽、高性能的AMBA⁃AXI
总线互联，不仅降低了硬件设计难度，而且增加了毫米
波大量数据接收传输的稳定性和传送速率
[9⁃12]
模块：射频参数控制模块、系统时钟控制模块、数据存储
及传输模块、ADC数据采集模块。
图1系统整体方案
2.1
采集系统雷达前端的参数配置指令是通过SPI协
射频参数控制
议进行。该射频前端需要同时配置两种参数，一种是其
工作方式，包括功放大小设置；另一种则是毫米波发送
波形的控制，包括线性调频波的周期、脉冲宽度及带宽
配置。ZYNQ芯片集成2个SPI控制器，同时系统要做
到上位机随时可控，指令解析模块对上位机串口配置参
数进行解析；然后依据射频芯片数据手册，采用SPI接
口按照时序完成相关寄存器的配置。
2.2
为了满足系统长时间稳定的工作，保持信号相位的
系统时钟控制实施方案
。本文采
用ZYNQ的7Z020⁃400系列芯片，配合2颗4路AD9228
的ADC芯片
[13⁃14]
，外加DDR3内存构成毫米波雷达采集
系统。首先利用ZYNQ逻辑部分编写ADC控制电路；然
后将雷达射频前端的数据经过ADC采集，并将4组正交
数据通过千兆网口发送到上位机；最后上位机对数据进
行处理，获取目标信息。实际测试结果表明，该系统可
满足数据传输的实时性和可靠性。
一致性，系统时钟由射频前端晶振提供，通过ZYNQ内
部时钟管理模块将时钟分别输入到PS与PL端。其内
部各个模块的时钟分布如图2所示。
1系统整体方案
采集系统整体利用上位机通过串口进行控制，可同
时配置工作模式及控制系统的启动终止。系统方案如
图1所示。上位机通过串口通信接口将控制命令传送
到ZYNQ的采集板上；指令解析模块将这些指令通过不
同的通信方式发送到目的模块，其中内部数据通信采用
了双口BRAM，该IP核将两个不同时钟域的数据进行调
制，保证数据的准确性。当射频前端正确配置完毕之
后，会返回同步脉冲，此时数据采集模块的状态机捕获
该脉冲上升沿，依照配置参数在短时间内完成对中频信
号数据的采集和DDR3内存的写入，当满足采集要求之
后触发网口进行发送。上位机控制指令的下发和上传
数据的处理。
图2时钟控制实施方案
的40MHz时钟降为10MHz，作为ADC的采集频率，同
另外为消除各个模块时钟之间的差异性，通过DCM将
PL部分的时钟通过ZYNQ的DCM时钟模块将输入
时为了ADC数据精确对齐，设置一个参考延迟时钟。
时钟校正，作为数据采集模块的输入时钟，最后数据通
过千兆以太网口上传。
2系统模块设计
结合软硬件的分布和功能，整个系统主要分为4个
第16期
麦超云，等：基于ZYNQ的双ADC数据采集系统的设计与实现
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2.3
数据采集及传输采用状态机的方式，其实施方案流
数据存储及传输模块
是采集系统的关键。AD9228支持10~40MHz采样率，
通过FPGA内部将时钟分频得到10MHz，通过OBUFG
分为ADCClkIn+和ADCClkIn-一对差分时钟，作为
AD9228的输入时钟，同时AD9228芯片会返回两对差分
时钟，分别为数据输出时钟对（DCO+）和（DCO-）以及数
据帧输出时钟（FCO+）和（FCO-）。FPGA在接收ADC输
出的差分串行信号时，需要考虑DCO边沿与数据边沿
所存在的相位差，只有设置合理的时序约束以满足建立
时间和保持时间，才能消除亚稳态。同时DCO也要和
FCO确定相位关系，因为仅靠DCO采集到的数据虽然
是正确的，但只是一串比特流，而不能确定数据的最高
位或者最低位，只有通过FCO进行比特序列调整才可
以恢复数据。针对FCO时钟，利用FPGA内部可编程IO
资源将（FCO+）和（FCO-）时钟转换为一路时钟FCO，再
通过FPGA内部的DCM资源将FCO的相位转换为初始
时钟120°作为数据输出的最终时钟；对于DCO路的时
钟，首先采用IBUFG将（DCO+）和（DCO-）数据时钟转
换为单路DCO，接着对该路数据进行延迟。AD9228输
出的原始数据也是经过特定的处理，首先将原始差分信
号转化为单路信号，然后经过延迟单元IDELAY2，最终
通过IDDR模块，将单时钟边沿改为双边沿输出，此时
一个时钟周期内将输出两位数据。处理之后的数据与
FCO的相位基本同步，FCO的上升沿与数据的最高位
对齐。
程如图3所示。具体步骤如下：首先状态机处于空闲状
态，等待上位机发送开始指令，如果上位机的指令完整
无误通过解析模块传输，则此时空闲状态跳转到判断状
态；在此状态会依次判断各个模块是否配置完毕，当满
足条件，则进行数据采集，CPU进而将状态机写入
BRAM里面的数据调入内存中，并触发网口，通过UDP
协议上传，上位机也将调用算法模块对数据进行处理。
图3数据存储及传输流程
2.4
其采集速度与精度将会影响整个系统的性能。本系统
ADC负责将前端数据由模拟信号转为数字信号，
ADC时钟及数据控制
图4ADC时钟与FPGA接口数据
3
3.1
系统整机测试
为了验证整个采集板卡的工作状态，对系统整机进
硬件测试
采用2片AD9228芯片构成4对IQ通道。ADC控制模块
的主要功能是控制ADC数据与时钟。当雷达的参数配
置完成之后，射频前端将返回同步信号脉冲，表示射频
前端已配置完成，此时ADC采集的数据才为有效数据。
ADC时钟与FPGA接口数据如图4所示。
ADC采集数据对时钟要求十分严格，数据的处理
行了多方面测试。毫米波雷达采集系统的整体硬件组
合如图5所示。该采集系统主要由一个ZYNQ⁃7Z020芯
片，配合2颗4路AD9228的ADC芯片，外加DDR3内存
构成。利用ZYNQ逻辑部分编写ADC控制电路，将雷达
38
千兆网口发送到上位机。
现代电子技术
2022年第45卷
射频前端的数据经过ADC采集并将4组正交数据通过
220ms。具体的参数配置如图7左边所示，37ms静态
目标的时域信号及傅里叶频谱图如图7右边所示。
表1网口数据传输结果
数据帧数
100
300
900
采集时间/s
25
67
200
采集速度（/Mb/s）
160
156
154
丢包率
0
0
0
图5采集系统硬件
为了验证该硬件整体的功耗，利用可编程电源提供
12V电压，设定额定电流1A，测得采集系统在无射频
前端的情景下，功耗为1.116W，如图6中电源显示屏所
示。当接上射频前端，工作电流达到0.724A，这时系统
功率为8.689W。当经过8h测试，功耗维持在8.6W
附近，表明该系统具有低功耗、稳定的特点。
图7参数配置及时频图
为了验证环境对毫米波采集的影响，在夜幕下进行
实地测试。设置前端带宽为5MHz，脉冲宽度为5μs，
脉冲周期为10μs，数据采集格式为150帧，帧间隔为
220ms。20ms左右的动态目标的时域信号及距离多普
勒如图8所示。
图8测试效果图
图6硬件功耗测试
通过多次户外测试结果表明，针对24GHz毫米波
雷达短时间内产生的大量数据，本文所设计的采集系统
都能稳定、高速地上传中频回波数据，同时上位机也能
实时将数据通过算法处理之后显示目标的相关信息。
3.2
为了验证系统数据传输速率，对千兆网口数据传输
测试结果表明，该采集系统长时间采集之后，数据传
实时性测试
速率进行了测试，其数据传输结果如表1所示。
输速率稳定在150Mb/s，实时性较好，数据丢包率为0。
3.3
为了验证整个采集板卡的功能有效性，进行实地
采集板卡功能有效性测试
4结论
本文基于ZYNQ平台提出了一套适用于24GHz毫
米波雷达的高速数据采集系统。该系统通过上位机控
制界面，能够将相关配置参数通过串口发送至采集板
卡，同时针对不同的应用场景控制数据的采集格式，最
测试。设置射频前端带宽为5MHz，脉冲宽度为5μs，
脉冲周期为10μs，数据采集格式为150帧，帧间隔为
第16期
麦超云，等：基于ZYNQ的双ADC数据采集系统的设计与实现
统的实现[J].通信技术，2020，53（7）：1645⁃1651.
39
终通过千兆以太网完成采集数据的上传和处理。测试
结果表明：该系统可以满足多种场景下对目标的检测，
同时满足实际需求；并且数据传输快、功耗低，在检测方
面具有较高的实用价值。
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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。
黄传好（1995—），男，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向为毫米波雷达信号处理、数字逻辑电路设计。
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。