簡(jiǎn)介

 

隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)和機器人從想象逐漸變?yōu)楝F實(shí)，汽車(chē)和工業(yè)客戶(hù)開(kāi)始尋求新的環(huán)境感知解決方案，力圖讓這些機器能夠自動(dòng)導航。LIDAR是該領(lǐng)域中發(fā)展最快的技術(shù)之一，隨著(zhù)它越來(lái)越成熟和可靠，其應用范圍也變得更加廣泛，帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)機遇。許多初創(chuàng )企業(yè)和知名傳感器公司都致力于開(kāi)發(fā)更加精準、功耗低、尺寸小，且更加經(jīng)濟高效的LIDAR傳感器，但在設計系統硬件、實(shí)施軟件基礎設施以和系統中的所有組件通信時(shí)，他們都遇到了同樣的挑戰。正是在這些區域，ADI能夠通過(guò)軟件參考設計和開(kāi)源軟件堆棧提供價(jià)值，令客戶(hù)能夠輕松將ADI LIDAR產(chǎn)品系列、軟件模塊和HDL IP集成到其產(chǎn)品和IC中，從而縮短上市時(shí)間。

 

系統架構

 

客戶(hù)在開(kāi)發(fā)自己的LIDAR傳感器時(shí)，系統設計中會(huì )存一些不同之處：接收和發(fā)送光學(xué)器件、激光器的數量和方向、激光發(fā)射模式、激光束控制，以及光接收元件的數量。但是，不管做出什么選擇，在接收信號鏈和激光器驅動(dòng)信號要求方面，所有傳感器都高度相似?；谶@些假設，ADI公司設計出模塊化LIDAR原型制作平臺AD-FMCLIDAR1-EBZ，以期讓客戶(hù)能夠使用他們自己的硬件輕松配置或更換器件；該平臺根據特定的應用要求設計，但仍可以用作整個(gè)系統。該系統可以分為三個(gè)不同的電路板，每個(gè)都配備標準化的數字和模擬接口：

 

?      數據采集(DAQ)電路板，包含高速JESD204B ADC、對應的時(shí)鐘和電源。此電路板上有一個(gè)符合FMC要求的接口，可以連接至用戶(hù)首選的FPGA開(kāi)發(fā)板。它充當系統的基板，通過(guò)用于在這些板和FPGA之間路由控制和反饋信號的數字連接器，以及用于傳輸模擬信號的同軸電纜，將另外兩個(gè)板連接至這個(gè)板。

 

?      包含雪崩光電探測器(APD)的光傳感器和整個(gè)信號鏈的模擬前端(AFE)電路板，信號鏈用于調諧APD輸出信號，以便能饋入DAQ板上的ADC。

 

?      包含激光器和驅動(dòng)電路的激光器板。

 

和以往一樣，在系統設計中，模塊化意味著(zhù)靈活性，但它也有一些缺點(diǎn)，比如復雜性增加、性能下降和成本增加，在決定系統分區時(shí)必須全面評估這些缺點(diǎn)。在這種情況下，系統被分成三個(gè)板，原因如下：

 

?      無(wú)論使用哪種模擬前端，選擇哪種激光器解決方案，ADC和時(shí)鐘很可能保持不變。

 

?      模擬前端硬件設計和尺寸根據所選的APD、整體的系統接收靈敏度，以及選擇的光學(xué)器件而變化。

 

?      激光器板設計和尺寸根據所選的照明解決方案和光學(xué)器件而變化。

 

?      對于接收器和發(fā)射器的位置和方向，系統提供很大的靈活性，以便它們彼此對應或和其他目標對應，因此使用柔性電纜來(lái)傳輸數字信號，使用同軸電纜來(lái)傳輸兩個(gè)電路板之間的模擬信號。

 

圖1.LIDAR平臺系統設計。

 

圖2.產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

 

包含硬件設計的軟件堆棧以分層方法為基礎，以少數幾個(gè)層級區分為適用于特定操作系統的驅動(dòng)和接口、系統特定的API和應用層。這使得堆棧的上層可以保持不變，無(wú)論軟件是在嵌入式目標上運行，還是在通過(guò)網(wǎng)絡(luò )或USB連接與系統通信的PC上運行。如圖2所示，在不同的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，這一點(diǎn)非常有用，因為這意味著(zhù)將系統連接至PC以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)時(shí)，在原型制作期間開(kāi)發(fā)的同樣的應用軟件可輕松部署到嵌入式系統中，甚至無(wú)需觸碰低層接口。

 

硬件設計

 

LIDAR傳感器通過(guò)測量光脈沖到達目標并返回的時(shí)間來(lái)計算與目標之間的距離。測量時(shí)間時(shí)，以ADC 采樣數據為增量, 這里ADC采樣速率決定了系統對接收的光脈沖采樣時(shí)的分辨率。公式1顯示如何根據ADC采樣速率計算距離。

 

開(kāi)源LIDAR原型制作平臺

 

 

其中：

 

L_S為光的速度，3 × 10⁸ m/s

 

f_S為ADC采樣速率

 

N為光脈沖生成至返回接收期間ADC樣本的數量

 

假設系統使用AD9094JESD204B四通道ADC的1 GHz采樣速率，那么每個(gè)樣本結果相當于15厘米距離。因此，系統中不能存在采樣不確定性，因為任何樣本不確定性都可能導致巨大的距離測量誤差。傳統上，LIDAR系統以并行ADC為基礎，這種ADC本身提供零采樣不確定性。隨著(zhù)接收通道的數量不斷增加，功率和PCB尺寸的要求越來(lái)越嚴格，這些ADC類(lèi)型不能很好地擴展。另一選項是使用具備高速串行輸出的ADC，例如JESD204B，以解決并行ADC存在的問(wèn)題。這種選項的數據接口復雜度更高，因此難以實(shí)現零采樣不確定性。

 

圖3.DAQ板時(shí)鐘和數據路徑。

 

圖4.AFE板信號鏈。

 

LIDAR DAQ板提供了解決這些挑戰的方案，通過(guò)展示為在Subclass 1模式下運行的JESD204B數據采集系統的電源、時(shí)鐘和數據接口設計來(lái)確保確定性延遲，以實(shí)現零采樣不確定性，同時(shí)利用JESD204B接口提供的所有優(yōu)勢，令時(shí)鐘方案的功耗達到最低。要在Subclass 1模式下運行JESD204B，系統總共要用到5個(gè)時(shí)鐘：

 

?      ADC采樣時(shí)鐘：驅動(dòng)ADC信號采樣過(guò)程。

 

?      ADC和FPGA SYSREF：源同步、高壓擺率時(shí)序分辨率信號，用于重置器件時(shí)鐘分頻器，以確保獲得確定性的延遲。

 

?      FPGA全局時(shí)鐘（也稱(chēng)為內核時(shí)鐘或器件時(shí)鐘）：驅動(dòng)JESD204B PHY層和FPGA邏輯的輸出。

 

?      FPGA參考時(shí)鐘：生成JESD204B收發(fā)器所需的PHY層內部時(shí)鐘；需要等于，或是器件時(shí)鐘的整數倍。

 

所有時(shí)鐘都由一個(gè)AD9528 JESD204B時(shí)鐘生成器生成，因此可以確保它們彼此都同步。 圖3顯示了時(shí)鐘方案，以及與FPGA的數據接口。

 

AFE板接收光學(xué)反射信號，將其轉化成電子信號，然后傳輸給DAQ板上的ADC。這個(gè)板可能是整個(gè)設計中靈敏度最高的部分，因為它混合信號調節電路（使用16通道APD陣列生成的微安電流信號），將光學(xué)信號轉化成電子信號，并采用為同樣的APD供電所需的–120 V至–300 V大電壓電源。16個(gè)電流輸出被饋送至4個(gè)低噪聲四通道互阻增益放大器(TIA)LTC6561，帶有一個(gè)內部4合1復用器，用于選擇之后向其中一個(gè)ADC輸入端饋送的輸出通道。要特別注意TIA的輸入部分，以實(shí)現所需的信號完整度和通道隔離等級，使得APD生成的極低電流信號中不會(huì )摻雜更多噪聲，從而最大化系統的SNR和對象檢測率。AFE板的設計顯示，要實(shí)現最高信號質(zhì)量，最好的方法是讓APD和TIA之間的線(xiàn)路長(cháng)度盡可能短，并在TIA輸入之間增加橢圓孔，以最大化通道間隔離；此外，在部署信號調節電路時(shí)，要保證該電路不會(huì )干擾板上的其他電源電路。另一項重要特性是能夠測量APD的溫度，以補償APD信號輸出的變化，這種變化是因為在正常運行期間APD溫度上升導致的。提供幾個(gè)旋鈕來(lái)控制信號鏈的偏置和APD偏置，這些偏置轉化成APD靈敏度，從而最大化ADC輸入范圍，以實(shí)現最大SNR。圖4顯示了AFE板信號鏈的框圖。

 

激光器板生成波長(cháng)為905 nm的光學(xué)脈沖。它使用四個(gè)激光器，這些激光器同時(shí)驅動(dòng)，以增加光束強度，實(shí)現更長(cháng)的測量距離。此激光器使用由FPGA載波板生成的具備可編程脈寬和頻率的PWM信號來(lái)控制。這些信號在FPGA上生成，以L(fǎng)VDS從FPGA傳輸至激光器板，經(jīng)過(guò)DAQ板以及連接DAQ和激光器板的扁平電纜期間，不易受到噪聲影響。驅動(dòng)信號可以返回至其中一個(gè)ADC通道，以獲得飛行時(shí)間參考。采用外部電源為激光器供電。其設計符合國際標準IEC 60825-1:2014和IEC 60825-1:2007中關(guān)于Class 1級激光器產(chǎn)品的要求。

 

圖5.激光器板信號鏈。

 

圖6.HDL設計框圖。

 

AFE和激光器板都需要光學(xué)器件，以實(shí)現長(cháng)距離測量。事實(shí)證明，該系統可在60米范圍內測量，使用快速軸準直器1，幫助激光二極管將垂直FoV縮小到1°，同時(shí)在保持水平視場(chǎng)不變的情況下，在接收側放置一個(gè)非球面透鏡。

 

HDL參考設計

 

HDL設計包含連接硬件的主要接口，其邏輯電路實(shí)現了將來(lái)自JESD鏈接的數據傳輸至系統存儲器，驅動(dòng)激光器，同步接收器和發(fā)射器以準確測量飛行時(shí)間，并且在所有組件上設計了通信接口。圖6顯示了HDL設計的簡(jiǎn)化框圖。ADI的HDL參考設計采用了通用架構使得框架可擴展，且更容易連接另一個(gè)FPGA端口。該設計使用ADI公司的JESD204B框架2，以及多個(gè)SPI和GPIO接口來(lái)接收來(lái)自AD9094 ADC的數據，以及控制該原型機平臺上的所有器件。

 

JESD204鏈接配置用于支持4個(gè)數據轉換器(M)，這些轉換器使用線(xiàn)路速率為10 Gbps的4條路線(xiàn)來(lái)實(shí)現8位轉換器分辨率。器件時(shí)鐘與高速收發(fā)器的參考時(shí)鐘相同，被設置為250 MHz，由DAQ板提供。該鏈接在Subclass 1模式下運行，確保高速轉換器和FPGA之間具備確定性延遲。

 

對于LIDAR系統，最大的挑戰在于如何同步各種功能和發(fā)射脈沖，以及如何處理從高速ADC接收的必要數量的數據。為了解決這一挑戰，HDL設計中包含了一個(gè)IP，用于提供生成激光器脈沖所需的邏輯，控制TIA的內部多路復用器，以及為DMA提供背壓。所有這些控制函數都與發(fā)射脈沖同步，以便系統無(wú)需保存所有原始高速量化數據流。如此，大幅降低系統的總數據速率。

 

軟件

 

定義LIDAR平臺的軟件堆棧的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)包括自由和開(kāi)源。用戶(hù)因此能夠“自由運行、復制、分發(fā)、學(xué)習、變更和改善軟件，”3包括從Linux®內核到用戶(hù)域的工具，以及與此相關(guān)的所有代碼。

 

圖7.軟件堆棧。

 

內核中使用的軟件驅動(dòng)器會(huì )啟動(dòng)硬件組件，向用戶(hù)顯示所有可用功能。這些驅動(dòng)器大部分都是工業(yè)I/O (IIO) Linux子系統的組成部分。4這些驅動(dòng)器都與平臺無(wú)關(guān)，所以無(wú)需改變硬件，包括與FPGA供應商相關(guān)的部分（例如，從Xilinx® FPGA遷移至Intel®）。

 

為了簡(jiǎn)化軟件接口IIO器件開(kāi)發(fā)，ADI開(kāi)發(fā)出了libiio庫。5該庫提取硬件的低層詳情，提供簡(jiǎn)單但完整的編程接口，可供高級項目使用。多種可用的libiio后端（例如，本地、網(wǎng)絡(luò )、USB、串行端）支持在本地使用IIO器件，以及遠程在不同操作系統上運行的應用（包括，Linux、Windows®、macOS®）中使用該器件。

 

ADI開(kāi)發(fā)的IIO示波器就是這樣一項應用示例，它使用libiio連接IIO器件，可在系統評估階段使用。該工具可在不同模式下捕捉和圖示數據（例如，時(shí)域、頻域、星座圖、交互相關(guān)）、發(fā)送數據以及允許用戶(hù)查看和修改被檢測器件的設置。

 

 

圖8.顯示LIDAR數據的IIO示波器捕捉窗口。

 

雖然libiio提供低層編程接口，但在大多數情況下，用戶(hù)期望使用平臺相關(guān)的集合了低層驅動(dòng)器調用的API，來(lái)展示一組功能，用于訪(fǎng)問(wèn)和配置各種系統參數和流數據。因此，LIDAR原型制作平臺采用特定的API，以及適用于常用框架和編程語(yǔ)言（例如C/C++、MATLAB®或Python®）的配套組件，6使用戶(hù)能夠使用其首選的編程語(yǔ)言與系統連接，集中精力研發(fā)對客戶(hù)而言極具價(jià)值的算法和應用。

 

結論

 

對于系統設計，在建立架構和做出設計決定時(shí)，存在一定程度的模糊性。這代表著(zhù)系統構建完成后無(wú)法正常工作或運行的風(fēng)險，會(huì )導致重復的設計周期，增加開(kāi)發(fā)成本，以及延長(cháng)產(chǎn)品上市時(shí)間。參考設計以預設計的、針對彼此交互操作的系統為基礎，與從頭開(kāi)始的自定義專(zhuān)用設計相比，其風(fēng)險降低，整體可預測性和可靠性提高。在規劃過(guò)程中使用參考設計作為起點(diǎn)，有助于更快將新設計推向市場(chǎng)，并確保出現更少的意外和問(wèn)題。系統設計人員總是尋求通過(guò)參考平臺來(lái)驗證其設計方案，以降低風(fēng)險和提高可靠性。啟動(dòng)項目時(shí)，使用清晰標準的設計選項有助于推動(dòng)規劃過(guò)程的實(shí)施?？赏ㄟ^(guò)使用通用語(yǔ)言來(lái)幫助協(xié)調目標，鼓勵多個(gè)職能部門(mén)相互合作和參與來(lái)實(shí)現，并且幫助簡(jiǎn)化在各設計目標之間評估和取舍的難度。LIDAR原型制作平臺試圖通過(guò)提供開(kāi)源硬件和軟件設計來(lái)滿(mǎn)足這些需求，這些設計可以提供初始系統架構階段的參考。硬件平臺和軟件堆?？捎糜谡麄€(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，從初始系統評估、開(kāi)發(fā)，到集成到最終產(chǎn)品中。參考設計的內容（例如工程圖紙和BOM）可構建、合法、本地化的系統設計提供了一個(gè)良好的開(kāi)端?？梢詭椭s短設計周期，且可能在整個(gè)過(guò)程中幫助節省資金。模塊化硬件設計支持使得各種配置選項滿(mǎn)足特定的應用要求，而基于行業(yè)標準框架和編程語(yǔ)言，搭配應用示例的開(kāi)源軟件堆棧則允許客戶(hù)側重于開(kāi)發(fā)應用，為產(chǎn)品注入價(jià)值，無(wú)需將精力耗費在堆棧的低層。

 

參考文獻

 

1      快速軸準直透鏡。FISBA，2019年。

 

2      JESD204接口框架。ADI公司，2019年。

 

3      自由軟件是什么？Free Software Foundation, Inc.，2019年。

 

4      Linux Driver Implementer的API指南。ADI公司，2019年。

 

5      關(guān)于libiio。ADI公司，2019年。

 

6      “PyADI-IIO：ADI Python接口，適用于配備工業(yè)I/O驅動(dòng)器的硬件。”GitHub, Inc.，2020年。

 

Michael Hennerich和Robin Getz。“ADI公司如何看待自由和開(kāi)源軟件。”《模擬對話(huà)》，第44卷第3期，2010年3月。

 

作者簡(jiǎn)介

 

István Csomortáni是ADI公司的FPGA設計工程師，負責支持基于FPGA的參考設計的設計與開(kāi)發(fā)。他擁有工業(yè)自動(dòng)化與信息技術(shù)學(xué)士學(xué)位及集成電路設計碩士學(xué)位。他從2012年開(kāi)始進(jìn)入ADI公司工作，負責為高速轉換器和RF收發(fā)器提供各種系統級參考設計支持。聯(lián)系方式：istvan.csomortani@analog.com。

 

Dragos Bogdan目前是SDG部的小型嵌入式軟件開(kāi)發(fā)團隊負責人，為各種類(lèi)型的平臺和組件增加開(kāi)源裸機和Linux支持。Dragos于2011年加入ADI公司擔任軟件工程師。2010年到2011年間，他在Pergamon RD公司從事用于打印設備的嵌入式硬件和軟件的開(kāi)發(fā)工作。在此之前，他曾參加National Instruments和Continental Automotive的實(shí)習生項目。他擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子學(xué)學(xué)士學(xué)位和自動(dòng)化碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：dragos.bogdan@analog.com。

 

Cristian Orian是ADI公司的系統設計工程師，負責評估平臺的硬件開(kāi)發(fā)工作。他擁有電子學(xué)博士學(xué)位。其工作領(lǐng)域還涉及電源設計。聯(lián)系方式：cristian.orian@analog.com。

 

Andrei Cozma是ADI公司工程設計經(jīng)理，負責支持系統級參考設計的設計與開(kāi)發(fā)。他擁有工業(yè)自動(dòng)化與信息技術(shù)學(xué)士學(xué)位及電子與電信博士學(xué)位。他參與過(guò)電機控制、工業(yè)自動(dòng)化、軟件定義無(wú)線(xiàn)電和電信等不同行業(yè)領(lǐng)域的項目設計與開(kāi)發(fā)。聯(lián)系方式：andrei.cozma@analog.com。

 

 

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