基于RISC-V處理器的運動感應(yīng)裝置設(shè)計

摘" 要：隨著科技的不斷發(fā)展，無人駕駛汽車產(chǎn)業(yè)成為一個新興產(chǎn)業(yè)，保障駕駛安全成為研究熱點之一。毫米波雷達(dá)憑借其大寬帶、高分辨率、全天可用等特點脫穎而出，而RISC-V處理器因其開源、架構(gòu)清晰、指令定制化程度高，被廣泛應(yīng)用于SoC設(shè)計中。文章設(shè)計了基于RISC-V的毫米波雷達(dá)信號處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)撩撞ɡ走_(dá)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理結(jié)果顯示在電腦屏幕上，并且完成了相應(yīng)的測試工作，驗證了系統(tǒng)的可行性與有效性。

關(guān)鍵詞：毫米波雷達(dá)；FPGA；RISC-V；LD2450

中圖分類號：TN959 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）03-0032-05

Design of Motion Sensing Device Based on RISC-V Processor

LIU Chang， LIU Maoyang， ZHANG Yuqian， SHEN Jiacheng

（Portland Institute of NJUPT， Nanjing" 210023， China）

Abstract： With the continuous development of science and technology， the driverless car industry has become an emerging industry， and ensuring driving safety has become one of the research hotspots. The millimeter-wave radar stands out for its characteristics of large bandwidth， high resolution， and all-day availability， while the RISC-V processor is widely used in SoC design due to its open-source nature， clear architecture， and high instruction customization degree. This paper designs a millimeter-wave radar signal processing system based on RISC-V. The system can process the data collected by millimeter-wave radar and display the processing results on the computer screen. It completes the corresponding test work， verifying the feasibility and effectiveness of the system.

Keywords： millimeter-wave radar; FPGA; RISC-V; LD2450

0" 引" 言

伴隨著科技的發(fā)展和汽車的普及，汽車的款式已從油車發(fā)展到混動車，部分城市甚至已經(jīng)開始推廣無人駕駛汽車。便利性上升的同時，安全問題也隨之而來。帶寬較大的毫米波雷達(dá)作為典型的車載傳感器，憑借其較高的分辨率，在全天時、全天候都可以使用的特點，在高級輔助駕駛系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。而RISC-V處理器架構(gòu)具有免費開源開放、整體的架構(gòu)清晰易懂、指令定制化較高等特點，大量被應(yīng)用在SoC（System on Chip）設(shè)計中，可以在保證集成化電路的前提前下，使用軟硬件實現(xiàn)對安全問題的處理。

隨著傳感器技術(shù)和雷達(dá)成像算法的日益成熟，未來幾十年汽車行業(yè)的競爭極大可能圍繞著無人駕駛展開[1]。本文使用海凌科公司的LD2450型毫米波雷達(dá)作為前端傳感器，基于E902 RISC-V處理器內(nèi)核，設(shè)計并實現(xiàn)了一款運動感應(yīng)裝置，實驗證明，該系統(tǒng)具有成本低、靈活性好，實時性高的特點。

1" 毫米波雷達(dá)工作原理

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)通過發(fā)射電磁波信號，并接收反射回來的信號，來檢測目標(biāo)物體的位置、速度和角度。雷達(dá)系統(tǒng)從其發(fā)射天線發(fā)射FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）信號，如圖1所示。根據(jù)FMCW測距理論，當(dāng)雷達(dá)信號遭遇目標(biāo)物體后，信號在物體處產(chǎn)生發(fā)射，目標(biāo)反射的回波信號與雷達(dá)的發(fā)射信號存在頻率差[2]。

當(dāng)信號打到一個物體時，部分信號能量被反射回雷達(dá)的接收天線，混頻器將發(fā)射信號和接受信號混合在一起。混頻器將兩個信號合并到一起生成一個具有新頻率的新信號。把由信號傳播引起的時間延遲記為τ，其表示為信號從雷達(dá)發(fā)射到目標(biāo)、反射回雷達(dá)所需的時間可由式（1）所得：

（1）

式中，R為雷達(dá)與目標(biāo)物體的距離，c為光速。最后將混頻器生成的信號經(jīng)過低通濾波器保留我們需要的頻率的信號。毫米波雷達(dá)一般發(fā)射具有大的時寬帶寬積的線性調(diào)頻信號，假設(shè)信號周期為T，差頻信號頻率、時間延遲與調(diào)制周期和帶寬之間的關(guān)系如式（2）所示：

（2）

綜合式（1）和式（2），根據(jù)FMCW原理所得被測物體的距離可如式（3）所示[3]：

（3）

2" 系統(tǒng)設(shè)計

本裝置由LD2450毫米波雷達(dá)傳感器、RISCV處理器、PC上位機(jī)構(gòu)成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，RISCV處理器由“平頭哥”的E902 32位微處理器內(nèi)核，兩級AHB總線矩陣、AHB2APB轉(zhuǎn)換橋、ROM程序存儲器、RAM數(shù)據(jù)存儲器、UART控制器、GPIO控制器等模塊構(gòu)成。ROM、RAM存儲器通過AHB接口掛載在AHB總線矩陣上，UART和GPIO控制器通過AHB2APB轉(zhuǎn)換橋掛載到AHB總線矩陣，整個RISCV處理器系統(tǒng)由FPGA可編程邏輯芯片實現(xiàn)，RISCV處理器的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

運動目標(biāo)跟蹤是指在特定區(qū)域內(nèi)實時監(jiān)測和定位運動目標(biāo)的位置，并實現(xiàn)測距、測角和測速功能。LD2450是海凌科24 GHz毫米波雷達(dá)系列中的一款運動目標(biāo)跟蹤傳感器模組，集成了簡化的24 GHz雷達(dá)傳感器硬件和智能算法固件。該方案主要用于普通場景下的運動人體定位跟蹤。傳感器硬件包括AloT毫米波雷達(dá)芯片、高性能一發(fā)兩收微帶天線、低成本MCU及外圍輔助電路。智能算法固件采用FMCW波形和雷達(dá)芯片專有的先進(jìn)信號處理技術(shù)。該傳感器支持串口輸出檢測數(shù)據(jù)，即插即用，能夠靈活應(yīng)用于各種智能場景和終端產(chǎn)品。

E902處理器內(nèi)核采用了16/32位混合編碼系統(tǒng)，擁有2級極簡流水線，廣泛應(yīng)用于低功耗的IoT場景。其中LD2450傳感器負(fù)責(zé)檢測移動目標(biāo)，將目標(biāo)的方位、速度、距離指令通過串口實時地傳給RISCV處理器，RISCV處理器內(nèi)核通過AHB總線矩陣，訪問UART0控制器，讀取LD2450的數(shù)據(jù)并且進(jìn)行解析，并且將解析后的各目標(biāo)的坐標(biāo)值通過UART1上傳給PC上位機(jī)。

3" 運動感應(yīng)裝置的軟硬件設(shè)計與仿真

本設(shè)計采用軟硬件協(xié)同的方式，對用到的RISCV處理器進(jìn)行設(shè)計，其中硬件部分以FPGA為平臺，使用Vivado進(jìn)行Verilog語言設(shè)計，用FPGA內(nèi)部的邏輯資源對RISCV處理器內(nèi)核、AHB總線矩陣、ROM程序存儲器、RAM數(shù)據(jù)存儲器、AHB2APB轉(zhuǎn)換橋、UART控制器、GPIO控制器、定時器等模塊進(jìn)行模擬實現(xiàn)，其中涉及搭建E902 RISCV處理器工程并添加“平頭哥”提供的E902處理器的Verilog文件，并且用VIVADO自帶的ROM IP核Verilog中的ROM存儲模塊進(jìn)行替換，同時采用VIVADO的PLL鎖相環(huán)模塊產(chǎn)生RISCV處理器所需要的系統(tǒng)時鐘。設(shè)計中，處理器的系統(tǒng)時鐘采用26 MHz。軟件部分RISCV處理器的C語言運行程序則是由“平頭哥”提供的CDK嵌入式軟件設(shè)計平臺進(jìn)行實現(xiàn)，程序中主要完成系統(tǒng)堆棧初始化、系統(tǒng)定時器初始化、串口0初始化、串口1初始化、毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)的解析以及將坐標(biāo)方位信息上傳到PC上位機(jī)。硬件和軟件的設(shè)計流程分別如圖4、圖5所示。

通過編寫RISCV處理器的TestBench激勵文件，來對所設(shè)計的RISCV處理器進(jìn)行軟件行為仿真。利用VivadoHLS可以縮短1/3的RTL仿真時間，使算法驗證速度提高10倍以上[4]。其中，TestBench主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生RISCV處理器工作所需的系統(tǒng)時鐘、復(fù)位信號以及初始化處理器運行所需的ROM程序[5]。

行為仿真主要是用來檢驗RISCV系統(tǒng)是否能正常運行C語言程序，因此觀察仿真波形時將重點關(guān)注ROM存儲器接口上是否有讀取操作的信號以及UART控制器的APB口上是否有讀寫信號，這些讀寫信號表示USI0的初始化寄存器配置信號[6]。RISCV處理器的ROM、UART接口的仿真波形分別如圖6、圖7所示。

當(dāng)LD2450毫米波雷達(dá)模塊探測到外部的移動物體時，會將物體的運動信息，以十六進(jìn)制的幀格式從UART串口輸出，一幀數(shù)據(jù)共包含三個移動物體的信息，具體分為幀頭信息，目標(biāo)1的二維坐標(biāo)信息、速度信息以及距離精度信息，目標(biāo)2的二維坐標(biāo)信息、速度信息以及距離精度信息，目標(biāo)3的二維坐標(biāo)信息、速度信息以及距離精度信息，幀尾信息。RISCV處理器使用UART0接口對LD2450的UART信號進(jìn)行接收，并通過AHB2APB轉(zhuǎn)換橋送往RISCV處理器的AHB二級總線矩陣，并通過AHB2AHB同步橋送往一級AHB總線矩陣直至送到RISCV處理器內(nèi)核，RISCV處理器獲取到十六進(jìn)制的運動信息后將對其進(jìn)行解析，分別得到目標(biāo)的二維坐標(biāo)、運動速度以及距離精度等信息[7]。LD2450輸出的十六進(jìn)制幀格式信息如表1所示，幀內(nèi)的每個目標(biāo)方位信息的格式如表2所示。

該數(shù)據(jù)幀的前4個字節(jié)表示幀頭信息、尾部兩個字節(jié)表示幀尾信息，字節(jié)5～字節(jié)12表示目標(biāo)1的二維坐標(biāo)信息、速度信息以及距離分辨率信息。字節(jié)13～字節(jié)20表示目標(biāo)2的信息，值為0則表示探測區(qū)域中沒有第二個移動目標(biāo)。字節(jié)5～字節(jié)12所對應(yīng)目標(biāo)1的X、Y坐標(biāo)，速度以及距離分辨率的轉(zhuǎn)換如式（4）至式（7）所示。

目標(biāo)1的X坐標(biāo)：

（4）

目標(biāo)1的y坐標(biāo)：

（5）

目標(biāo)1的速度：

（6）

目標(biāo)1的距離分辨率：

（7）

4" 系統(tǒng)實物與測試

系統(tǒng)實物由FPGA開發(fā)板、LD2450毫米波傳感器、USB轉(zhuǎn)UART模塊、CKLink調(diào)試器以及電源線等構(gòu)成。完成各部分電路的連接之后對系統(tǒng)進(jìn)行功能測試。測試中將FPGA開發(fā)板與PC上位機(jī)相連，使用Teraterm串口調(diào)試助手對FPGA上傳的運動目標(biāo)的方位等信息進(jìn)行查看[8-10]。系統(tǒng)實物如圖8所示，F(xiàn)PGA上報的運動坐標(biāo)如圖9所示，在PC上位機(jī)根據(jù)FPGA上傳的人體運動坐標(biāo)進(jìn)行繪制，所得的行動軌跡與測試中人體行走軌跡基本一致，測試的人體運動軌跡如圖10所示。

5" 結(jié)" 論

本文以FPGA為平臺，使用其內(nèi)部的可編程邏輯資源模擬了平頭哥的E902 RISCV處理器，基于該處理器和LD2450毫米波雷達(dá)模塊設(shè)計了一款運動感應(yīng)裝置，實現(xiàn)了對運動目標(biāo)的二維方位坐標(biāo)和速度的探測，并且將最終的方位信息上傳到PC上位機(jī)。實驗結(jié)果表明該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的運動檢測和實時數(shù)據(jù)處理，具有集成度高、實時性好等優(yōu)點。

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作者簡介：劉暢（2003—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方向：電子科學(xué)。