在雷达技术教学与科研中FMCW调频连续波雷达因其结构简单、测距精度高、无距离盲区等优点已成为毫米波雷达应用的主流方案。然而许多初学者在面对雷达硬件时往往被复杂的寄存器配置、数据协议和信号处理流程所困扰难以快速上手。RS6013A 实验套件正是为解决这一痛点而设计。它是一款基于 FMCW 原理的 60GHz 毫米波雷达开发平台集成了射频前端、天线、时钟和信号处理单元通过 USB 接口即可与 PC 连接输出原始 ADC 数据或预处理后的点云信息。套件提供丰富的示例代码帮助用户从零开始快速搭建自己的雷达应用。此外它还是一款人工智能实验套件支持用户在设备端运行自定义神经网络模型实现端侧AI功能这将进一步拓展雷达在智能探测、实时决策场景的应用边界。本文将带你用 5 分钟时间完成 RS6013A 与 PC 的连接并运行第一个 MATLAB 示例程序。我们将详细讲解串口初始化、帧同步与数据解码、实时数据采集与显示的全过程。通过本教程你将直观地看到雷达回波的中频信号波形为后续的距离测量、速度估计甚至成像算法打下基础。一、准备工作1.硬件清单RS6013A 实验套件含雷达模块、3 个接收天线、1 个发射天线、USB 数据线。一台装有 Windows 10/11 的 PCLinux 或 macOS 也可但驱动需另行配置。2.软件环境MATLAB R2020a 或更新版本需安装 Instrument Control Toolbox 以支持串口通信。如果使用 Python可安装 pyserial、numpy、matplotlib 等库本文以 MATLAB 为例。USB 转串口驱动RS6013A 内置 CP210x 芯片系统通常自动识别。若设备管理器中未出现对应 COM 口可前往 Silicon Labs 官网下载驱动。3.连接与检查用 USB 线将 RS6013A 连接至 PC。打开设备管理器Windows展开“端口COM 和 LPT”应看到系统自动识别并分配的 COM 号例如 COM5。记住该端口号。若未出现尝试更换 USB 线或重新安装驱动。连接完毕后开发板指示灯亮起。其中红灯常亮绿灯闪烁。至此硬件准备就绪我们开始编写第一个示例程序。二、第一步串口初始化配置与实现1.目标打开与 RS6013A 对应的串口设置正确的波特率尽管模块通过 USB 传输实际波特率可任意但需与固件匹配清空缓冲区为后续数据接收做准备。2.代码实现在 MATLAB 中我们使用 serialport 函数创建串口对象。以下为初始化代码%% 功能在线ADC数据采集clc;clear;close all;clear serialPort;% 先关闭可能存在的串口对象%% 定义串口对象serialPortserialport(COM5,921600);% 端口号需替换为实际值波特率可任意flush(serialPort);% 清空输入输出缓冲区% 雷达参数rx_antennas[1,1,1];% 雷达3个接收天线状态 0: disable, 1:enablenum_samples_per_chirp64;% 雷达的采样点数num_chirps_per_frame32;% 雷达的chirp个数% 定义雷达单天线buffer的大小 采样点数 * chirp个数 * 12/8 (12bit ADC, 8bit数据)buffer_sizenum_samples_per_chirp*num_chirps_per_frame*12/8;% 定义二维buffer, 12bit转16bit后的数据bufferzeros(buffer_size/3*2,sum(rx_antennas));关键点说明serialport 的第一个参数是端口名如 “COM5”。请根据设备管理器中的实际端口修改。第二个参数为波特率这里设为 921600。注释中特别说明“本模块采用 USB 传输数据波特率无效”这是因为 USB 模拟的串口实际传输速度由 USB 协议决定波特率仅用于兼容传统串口软件因此可任意设置常用 115200、921600 等。flush(serialPort) 清除缓冲区中可能残留的旧数据确保后续读取是从当前时刻开始的新数据。如果端口打开失败MATLAB 会报告错误。常见原因包括端口号错误、驱动未安装、或被其他程序占用。此时请检查设备管理器并关闭其他串口监视软件。三、第二步帧头同步与数据解码的原理与实现1.RS6013A 数据帧格式RS6013A 以数据帧frame为单位向上位机发送 ADC 采样数据。每一帧对应一个完整的 chirp 序列即一帧包含多个 chirp每个 chirp 包含多个采样点。数据帧格式设计如下内容长度字节说明帧头标志1固定为 0x00用于同步起始帧头序列7固定为 [1,2,3,4,5,6,7]进一步增强同步可靠性有效数据可变包含所有接收天线的 ADC 原始数据格式见下文帧尾标志8固定为 [0,1,2,3,4,5,6,7]用于校验一帧的完整性有效数据编码RS6013A 的 ADC 分辨率为 12 位每个采样点占用 12 bit。为节省传输带宽数据以字节流形式连续发送每 3 个字节承载 2 个 12-bit 样本3 字节 24 bit 12 bit × 2。具体排列方式如下第 1 字节的高 4 位 第 2 字节的低 4 位组成第 1 个 12-bit 样本第 2 字节的高 4 位 第 3 字节组成第 2 个 12-bit 样本。对于多天线系统各天线的数据按天线顺序交错排列。例如 3 个天线使能时字节流依次为天线1样本1(高4位)天线1样本1(低8位的一部分)……具体可参考解码代码。数据量计算每 chirp 采样点数 num_samples_per_chirp本例中为 64每帧包含的 chirp 数 num_chirps_per_frame本例中为 32单个天线一帧的样本总数 64 × 32 2048 个样本每个样本 12 bit 1.5 字节故单天线数据字节数 2048 × 1.5 3072 字节若 3 个天线均使能一帧有效数据字节数 3072 × 3 9216 字节加上帧头8 字节和帧尾8 字节一帧总长度为 9216 16 9232 字节。2.帧同步实现由于串口是流式传输程序需要从连续的字节流中准确地找到每一帧的起始。本示例采用两阶段同步策略粗同步逐字节读取直到读到 0x00。精同步读取后续 7 个字节检查是否等于 [1,2,3,4,5,6,7]。若匹配则认为找到帧头否则继续搜索。代码实现如下whiletrue dataread(serialPort,1,uint8);% 读取串口数据ifdatahex2dec(00)% 按字节读取找到帧头[0]dataread(serialPort,7,uint8);% 读取帧头后面的数据ifsum(data[1,2,3,4,5,6,7])7% 判断帧头后面的数据是否为[1,2,3,4,5,6,7]break;% 找到帧头后退出循环endendend这段代码首先进入while循环每次读取一个字节若该字节为 0x00则再读取 7 个字节并与预定义的序列比较。若完全匹配说明找到了正确的帧起始位置退出同步循环。否则继续寻找下一个 0x00。注意read 函数在指定超时时间内未读到足够字节时会报错因此建议在创建 serialPort 时设置合理的超时如 5 秒或在代码中添加异常处理。3.数据解码原理找到帧头后即可开始读取一整帧的数据。帧长度已知根据天线使能情况计算因此可以直接读取固定字节数% 在循环中读取一帧dataread(serialPort,sum(rx_antennas)*buffer_size8,uint8);这里读取的字节数为 sum(rx_antennas)* buffer_size 8其中 buffer_size 是单天线数据字节数8 是帧尾的 8 个字节。读取后将最后 8 个字节取出与帧尾序列比较确保帧传输无误frame_headerdata(end-7:end);ifsum(frame_header[0,1,2,3,4,5,6,7])~8break;% 帧尾不匹配可能发生错位退出循环enddatadata(1:end-8);% 截去帧尾得到纯有效数据接下来是最关键的 12-bit 到 16-bit 转换。有效数据部分是一个字节数组每 3 个字节对应 2 个 12-bit 样本。我们需要将这两个样本提取出来存储为 16-bit 整数高 4 位补 0。转换过程依赖于天线的数量因为多天线时数据是交错的。示例中通过 step 3 *sum(rx_antennas) 计算出每次循环处理的字节数然后针对不同天线数编写了三个分支。step3*sum(rx_antennas);% 将3byte数据转换为2byte数据switchstep% 循环读取3byte数据 12bit *2 16bit* 2case3%只有1个接收天线fori1:length(rx_antennas)% 遍历rx_antennasifrx_antennas(i)1rxi;endendfori1:step:length(data)buffer(((i2)/3)*2-1,rx)bitshift(data(i),4)bitshift(data(i1),-4);buffer(((i2)/3)*2,rx)bitshift(bitand(data(i1),hex2dec(0F)),8)data(i2);endcase6% 有2个接收天线ifrx_antennas(1)rx1;ifrx_antennas(2)ry2;elsery3;endelserx2;ry3;endfori1:step:length(data)buffer(((i5)/6)*2-1,rx)bitshift(data(i),4)bitshift(data(i1),-4);buffer(((i5)/6)*2-1,ry)bitshift(bitand(data(i1),hex2dec(0F)),8)data(i2);buffer(((i5)/6)*2,rx)bitshift(data(i3),4)bitshift(data(i4),-4);buffer(((i5)/6)*2,ry)bitshift(bitand(data(i4),hex2dec(0F)),8)data(i5);endcase9%有3个接收天线fori1:step:length(data)%8bit的data解码为12bit的bufferbuffer(((i8)/9)*2-1,1)bitshift(data(i),4)bitshift(data(i1),-4);buffer(((i8)/9)*2-1,2)bitshift(bitand(data(i1),hex2dec(0F)),8)data(i2);buffer(((i8)/9)*2-1,3)bitshift(data(i3),4)bitshift(data(i4),-4);buffer(((i8)/9)*2,1)bitshift(bitand(data(i4),hex2dec(0F)),8)data(i5);buffer(((i8)/9)*2,2)bitshift(data(i6),4)bitshift(data(i7),-4);buffer(((i8)/9)*2,3)bitshift(bitand(data(i7),hex2dec(0F)),8)data(i8);endend这段代码看似复杂实则规律清晰。以 3 天线情况为例每 9 个字节3 天线 × 3 字节为一组解析出 6 个 12-bit 样本每个天线 2 个样本。以第一个天线为例样本 1取 data(i) 左移 4 位加上 data(i1) 右移 4 位即取 data(i1) 的高 4 位作为低 4 位组合成 16 位整数。样本 2取 data(i1) 的低 4 位通过与 0x0F 按位与左移 8 位再加上 data(i2)组合成第二个样本。其他天线以此类推。最终 buffer 是一个二维数组行数为样本总数每帧样本数 采样点数 × chirp 数列数为天线数每个元素为 16-bit 整数实际有效位 12-bit。四、第三步数据采集与显示的基本流程1.实时数据采集循环在完成一帧的解码后我们通常希望连续采集多帧数据并实时观察信号波形。示例程序使用一个 while true 循环每次迭代处理一帧直至达到设定的帧数500 帧或用户主动中断。FrameCount0;% 帧计数器DataFrames500;% 数据采集帧数SaveFlag1;% 数据存储标志whiletrue FrameCountFrameCount1;% 读取并解码一帧代码如前所述% ...%% 数据重组Rx1reshape(buffer(:,1),num_samples_per_chirp,num_chirps_per_frame);Rx2reshape(buffer(:,2),num_samples_per_chirp,num_chirps_per_frame);Rx3reshape(buffer(:,3),num_samples_per_chirp,num_chirps_per_frame);%% 绘图每10帧刷新一次ifmod(FrameCount,10)0||FrameCount1% 绘制三个天线的时域波形subplot(131);plot(Rx1);grid onxlabel(采样点数(N));ylabel(幅度);title([RX1时域波形 第,num2str(FrameCount),帧]);legend(arrayfun((x)[chirp,num2str(x)],1:num_chirps_per_frame,UniformOutput,false));subplot(132);plot(Rx2);grid on;title(RX2);% 类似subplot(133);plot(Rx3);grid on;title(RX3);drawnow;% 强制刷新图形end%% 数据存储ifSaveFlagRadarData(FrameCount).Rx1Rx1;RadarData(FrameCount).Rx2Rx2;RadarData(FrameCount).Rx3Rx3;ifFrameCountDataFrames save RadarData.mat RadarData;break;endendend关键点数据重组buffer 中每一列是一个天线在一帧中的所有样本按采样点- chirp 顺序线性排列。通过 reshape 可以恢复为二维矩阵行对应采样点索引列对应 chirp 索引。这样每一列就是一个 chirp 的 ADC 数据便于后续分析。绘图优化实时绘图非常消耗资源因此每 10 帧更新一次画面避免卡顿。subplot 将三个天线并排显示方便对比。数据存储将每一帧的结构体存入 RadarData 数组达到指定帧数后保存为 .mat 文件供离线处理使用。2.运行效果运行程序后MATLAB 会打开一个图形窗口动态更新三个接收天线的时域波形。正常情况下你应该看到类似正弦波或带有噪声的起伏波形这反映了雷达前方物体的反射信号。用手在雷达前缓慢移动波形会发生明显变化直观感受雷达探测效果。五、总结与拓展1.回顾通过不到 5 分钟的时间我们完成了从硬件连接、串口初始化、帧同步解码到实时数据显示的全流程。这一简单示例验证了 RS6013A 实验套件的即插即用特性让初学者快速跨越了雷达数据获取的门槛。2.RS6013A 实验套件优势一体化设计无需复杂的射频调试USB 供电即用。开放协议数据帧格式公开用户可轻松自定义上位机。多语言支持适配MATLAB、Python等不同开发环境。丰富的教学资源配套实验指导书涵盖 FMCW 原理、测距测速、SAR 成像等进阶内容。3.下一步建议掌握了原始 ADC 数据的获取方法后你可以在此基础上实现更多功能一维距离像对每个 chirp 的采样点做 FFT得到距离维信息。速度估计对多个 chirp 做慢时间维 FFT提取多普勒频率。二维成像结合多个天线进行角度估计或 SAR 成像。实时处理将 MATLAB 代码移植到 Python结合 GUI 库构建完整的雷达演示系统。4.获取更多资料如需 RS6013A 的详细数据手册、原理图、更多示例代码或购买信息请访问官网或联系技术支持。