探索 Radar Baseboard MCU7 Plus：60 GHz 雷達系統(tǒng)平臺新選擇

在當(dāng)今電子科技飛速發(fā)展的時代，雷達技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，從汽車自動駕駛到工業(yè)檢測，60 GHz 雷達傳感器因其高精度和高分辨率的特點備受關(guān)注。今天我們就來深入了解一下 Infineon 的 Radar Baseboard MCU7 Plus，這一 60 GHz 雷達系統(tǒng)平臺的關(guān)鍵組件。

文件下載：Infineon Technologies DEMO BGT60UTR11AIP演示板.pdf

一、平臺概述

1.1 60 GHz 雷達系統(tǒng)平臺構(gòu)成

60 GHz 雷達系統(tǒng)平臺是 Infineon 60 GHz 雷達傳感器的評估平臺，它由“Radar Baseboard MCU7 Plus”微控制器板和 60 GHz 雷達傳感器屏蔽罩組成，比如 BGT60UTR11AIP 屏蔽罩或 BGT60UTR13DAIP 屏蔽罩。在安裝傳感器屏蔽罩時，要注意板上和屏蔽罩上的白色圓形標(biāo)記，必須將它們對齊，才能確保正確插入。

1.2 板卡概覽與關(guān)鍵特性

“Radar Baseboard MCU7 Plus”是一塊尺寸為 59.4 mm x 25.4 mm 的印刷電路板（PCB），其核心目的是為 Infineon 的 60 GHz 雷達傳感器提供通用的傳感器接口。下面我們來看看它的幾個關(guān)鍵特性：

• 強大的 MCU：核心器件是 ATSAMS70Q21，一款 32 位 Arm? Cortex? - M7 微控制器，時鐘頻率高達 300 MHz，擁有 384 kB SRAM。它采用 3.3 V 電源供電，并且與傳感器的 3.3 V 電源解耦，以減少數(shù)字信號和傳感器電源之間的串?dāng)_。
• 高速 USB 接口：由于雷達數(shù)據(jù)采集會產(chǎn)生大量原始數(shù)據(jù)，該板卡采用了 Hi - Speed - USB 接口，數(shù)據(jù)傳輸速率高達 480 Mbit/s，能夠為雷達數(shù)據(jù)的可視化和處理提供足夠的帶寬。
• 雙傳感器接口：具備兩個雷達傳感器接口，每個傳感器子屏蔽罩都有一個通過 I2C 接口連接的 EEPROM，可用于存儲描述符，方便固件與板卡進行通信，甚至能檢測出錯誤插入的板卡。同時，板卡還提供了 SPI 連接、兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通道、一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）通道和 10 個 GPIO 引腳，用于與雷達傳感器通信。
• Arduino MKR 兼容性：支持 Arduino MKR 接口，這意味著可以方便地接入各種低成本的附加硬件進行快速原型開發(fā)，如用于原始數(shù)據(jù)存儲的 SD 卡、無線通信模塊等。
• RGB 狀態(tài)指示燈：板上的 RGB LED 用于指示板卡的狀態(tài)，啟動時 LED 會閃爍，檢測到雷達傳感器時會閃爍綠色。

二、傳感器接口詳解

2.1 接口概述

傳感器接口的主要通信接口是串行外設(shè)接口（SPI），由于 MCU 電源電壓為 3.3 V，而傳感器電源電壓為 1.8 V，因此使用了電平轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)不同電壓電平之間的轉(zhuǎn)換。除了五個 SPI 信號外，還有五個數(shù)字信號也會進行轉(zhuǎn)換，包括三個屏蔽選擇信號和兩個中斷信號。此外，連接器還提供了兩個 ADC 通道、一個 DAC 通道和六個開漏輸出信號，其中一個用于控制傳感器屏蔽罩上的 LED。

2.2 電源設(shè)計

雷達傳感器對電源電壓波動非常敏感，因此低噪聲電源至關(guān)重要。系統(tǒng)電源電路的初始階段集成了低通濾波器，以阻止高頻（HF）噪聲通過 USB 電源進入電路。每個傳感器還需要額外的電源電路，通過鐵氧體磁珠和 LDO 來生成所需的 3.3 V 和 1.8 V 電壓。如果雷達信號中出現(xiàn)幽靈目標(biāo)，可以通過優(yōu)化電源來改善性能，例如將 1.8 V LDO 的電源從 5 V 改為 3.3 V。

2.3 電平轉(zhuǎn)換器

電平轉(zhuǎn)換器可以由傳感器電源或傳感器接口的電壓供電，為了減少數(shù)字信號對電源電壓的干擾，電平轉(zhuǎn)換器與傳感器電源解耦，使用了在 MHz 范圍內(nèi)具有高抑制能力的鐵氧體磁珠。同時，上拉和下拉電阻連接到使能和方向引腳，預(yù)設(shè) SPI 電平轉(zhuǎn)換的方向，使 MCU 為主設(shè)備，傳感器為從設(shè)備。

2.4 傳感器連接器

板卡有兩個傳感器屏蔽罩接口，分別標(biāo)記為“SC1”和“SC2”，旁邊有白色填充圓圈作為標(biāo)記，安裝傳感器時要與傳感器屏蔽罩上的標(biāo)記對齊。使用的是 Hirose 的 DF40C - 20DS - 0.4V 連接器，為了防止連接器磨損，插拔傳感器時應(yīng)從長邊拉動。如果傳感器插入錯誤（旋轉(zhuǎn) 180 度），MCU 可以通過檢測 I2C 信號和開漏信號來判斷。

2.5 電流測量

板上有七個電流傳感器，用于動態(tài)監(jiān)測每個電源域流入子屏蔽罩的電流，所有電流傳感器都通過 I2C 總線與 MCU 通信。

三、Arduino MKR 接口

Arduino MKR 接口與 Arduino MKR 系列開發(fā)板兼容，可用于快速原型開發(fā)。該系列包括 MKR Zero（帶 SD 卡插槽，可進行原始數(shù)據(jù)存儲）、MKR1000（帶 Wi - Fi 模塊，用于無線數(shù)據(jù)傳輸）、MKR Vidor 4000（帶 FPGA，用于并行數(shù)據(jù)處理和 SDRAM 擴展）等。除了 5 V 電源、3.3 V 電源和電壓參考外，Arduino MKR 接口還包含模擬和數(shù)字接口，模擬接口有七個模擬通道，數(shù)字接口由 UART 接口、SPI 接口和七個 GPIO 引腳組成。需要注意的是，如果傳感器和 Arduino MKR 連接器安裝在同一側(cè)，連接器可能會影響雷達天線，因此建議將 Arduino MKR 引腳焊接在雷達底板的底部。

四、固件分析

4.1 固件概述

“Radar Baseboard MCU7 Plus”自帶默認固件，作為主機（通常是 PC）和傳感器屏蔽罩之間的橋梁。該固件實現(xiàn)了與主機通過 USB 通信、讀寫傳感器寄存器、通過 SPI 讀取傳感器數(shù)據(jù)、檢測傳感器屏蔽罩是否插入、讀寫傳感器屏蔽罩上的 EEPROM 以及控制一些輔助外設(shè)等功能。目前固件未實現(xiàn)信號處理功能，但由于 MCU 性能強大，可根據(jù)需要添加。固件分為硬件抽象層（HAL）、驅(qū)動層、通信層和實際固件四層，便于移植到其他微控制器。

4.2 USB 通信

固件在 USB 接口上實現(xiàn)了通信設(shè)備類（CDC）設(shè)備，USB 接口就像一個串行端口，實現(xiàn)雙向字節(jié)流傳輸。在串行數(shù)據(jù)流之上，通過在每個消息周圍添加開始和結(jié)束標(biāo)記實現(xiàn)了基于消息的協(xié)議，方便協(xié)議解碼器將接收到的流拆分為各個數(shù)據(jù)包。

4.3 EEPROM 存儲

EEPROM 可用于存儲屏蔽罩/應(yīng)用特定的數(shù)據(jù)，如天線校準(zhǔn)數(shù)據(jù)或特定用例的設(shè)置。

4.4 RGB LED 狀態(tài)指示

RGB LED 用于指示板卡的狀態(tài)，在啟動后和空閑時，以及活動時都有不同的閃爍模式來表示不同的狀態(tài)，如無錯誤檢測、未檢測到 RF 屏蔽罩、RF 屏蔽罩方向錯誤等。

4.5 固件開發(fā)與調(diào)試

固件以 Atmel Studio 7 IDE 項目的形式提供，編譯、燒錄和調(diào)試可以直接在 IDE 中完成。板卡提供了兩種調(diào)試連接器選項，用戶可以根據(jù)需要選擇 Tag Connect 調(diào)試器或焊接 10 針 Arm 調(diào)試連接器。

4.6 通過引導(dǎo)加載程序燒錄

微控制器包含引導(dǎo)加載程序，在沒有調(diào)試器的情況下，可以通過 USB 接口更新固件。需要手動激活引導(dǎo)加載程序，具體步驟包括斷開 USB 連接、將 MCU “ERASE”引腳拉高、重新連接 USB 并釋放“ERASE”引腳，進入引導(dǎo)加載程序模式后，可使用 SAM - BA GUI 燒錄固件。

五、微控制器引腳映射

5.1 傳感器接口 1

傳感器接口 1 的引腳映射包括 I2C 接口的時鐘和數(shù)據(jù)引腳、SPI 接口的各種引腳、ADC 和 DAC 通道引腳以及一些開漏輸出引腳和電平轉(zhuǎn)換器控制引腳等，不同的引腳有不同的功能和供電域。

5.2 傳感器接口 2

傳感器接口 2 的引腳映射與接口 1 有相似之處，也包含 I2C、SPI、ADC、DAC 等相關(guān)引腳，同時還有一些特殊的跳線引腳連接說明。

5.3 Arduino MKR 接口

Arduino MKR 接口的引腳映射涵蓋了電源引腳、UART 接口引腳、SPI 接口引腳、PWM 通道引腳和模擬通道引腳等，為連接 Arduino MKR 系列開發(fā)板提供了詳細的引腳信息。

5.4 其他引腳

其他引腳包括 RGB LED 的控制引腳和 LDO 的使能引腳等。

Radar Baseboard MCU7 Plus 為 60 GHz 雷達系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個功能強大且靈活的平臺，無論是對于初學(xué)者進行快速原型開發(fā)，還是對于專業(yè)工程師進行復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計，都具有很高的價值。你在使用類似雷達開發(fā)板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。