簡介

 

隨著自動駕駛汽車和機器人從想象逐漸變為現實，汽車和工業客戶開始尋求新的環境感知解決方案
，力圖讓這些機器能夠自動導航。LIDAR是shi該gai領ling域yu中zhong發fa展zhan最zui快kuai的de技ji術shu之zhi一yi，隨sui著zhe它ta越yue來lai越yue成cheng熟shu和he可ke靠kao，其qi應ying用yong範fan圍wei也ye變bian得de更geng加jia廣guang泛fan，帶dai來lai了le巨ju大da的de市shi場chang機ji遇yu。許xu多duo初chu創chuang企qi業ye和he知zhi名ming傳chuan感gan器qi公gong司si都dou致zhi力li於yu開kai發fa更geng加jia精jing準zhun、功耗低、尺寸小，且更加經濟高效的LIDAR傳感器
，但在設計係統硬件
、實施軟件基礎設施以和係統中的所有組件通信時，他們都遇到了同樣的挑戰。正是在這些區域，ADI能夠通過軟件參考設計和開源軟件堆棧提供價值
，令客戶能夠輕鬆將ADI LIDAR產品係列
、軟件模塊和HDL IP集成到其產品和IC中，從而縮短上市時間。

 

係統架構

 

客戶在開發自己的LIDAR傳感器時
，係統設計中會存一些不同之處：接收和發送光學器件、激光器的數量和方向、激光發射模式
、激(ji)光(guang)束(shu)控(kong)製(zhi)，以(yi)及(ji)光(guang)接(jie)收(shou)元(yuan)件(jian)的(de)數(shu)量(liang)。但(dan)是(shi)，不(bu)管(guan)做(zuo)出(chu)什(shen)麼(me)選(xuan)擇(ze)

，在(zai)接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)鏈(lian)和(he)激(ji)光(guang)器(qi)驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)要(yao)求(qiu)方(fang)麵(mian)，所(suo)有(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)高(gao)度(du)相(xiang)似(si)。基(ji)於(yu)這(zhe)些(xie)假(jia)設(she)，ADI公司設計出模塊化LIDAR原型製作平台AD-FMCLIDAR1-EBZ，以期讓客戶能夠使用他們自己的硬件輕鬆配置或更換器件
；該平台根據特定的應用要求設計
，但仍可以用作整個係統。該係統可以分為三個不同的電路板，每個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
、對應的時鍾和電源。此電路板上有一個符合FMC要求的接口，可以連接至用戶首選的FPGA開發板。它充當係統的基板，通過用於在這些板和FPGA之間路由控製和反饋信號的數字連接器，以及用於傳輸模擬信號的同軸電纜，將另外兩個板連接至這個板。

 

►      包含雪崩光電探測器(APD)的光傳感器和整個信號鏈的模擬前端(AFE)電路板

，信號鏈用於調諧APD輸出信號，以便能饋入DAQ板上的ADC。

 

►      包含激光器和驅動電路的激光器板。

 

和以往一樣
，在係統設計中，模塊化意味著靈活性
，但它也有一些缺點
，比如複雜性增加、性能下降和成本增加，在決定係統分區時必須全麵評估這些缺點。在這種情況下，係統被分成三個板，原因如下：

 

►      無論使用哪種模擬前端
，選擇哪種激光器解決方案，ADC和時鍾很可能保持不變。

 

►      模擬前端硬件設計和尺寸根據所選的APD

、整體的係統接收靈敏度
，以及選擇的光學器件而變化。

 

►      激光器板設計和尺寸根據所選的照明解決方案和光學器件而變化。

 

►      duiyujieshouqihefasheqideweizhihefangxiang，xitongtigonghendadelinghuoxing，yibiantamenbiciduiyinghuoheqitamubiaoduiying，yincishiyongrouxingdianlanlaichuanshushuzixinhao，shiyongtongzhoudianlanlaichuanshulianggedianlubanzhijiandemonixinhao。

 

圖1.LIDAR平台係統設計。

 

圖2.產品開發周期。

 

包含硬件設計的軟件堆棧以分層方法為基礎，以少數幾個層級區分為適用於特定操作係統的驅動和接口、係統特定的API和應用層。這使得堆棧的上層可以保持不變

，無論軟件是在嵌入式目標上運行，還是在通過網絡或USB連接與係統通信的PC上運行。如圖2所示
，在不同的產品開發階段，這一點非常有用
，因為這意味著將係統連接至PC以簡化開發時，在原型製作期間開發的同樣的應用軟件可輕鬆部署到嵌入式係統中，甚至無需觸碰低層接口。

 

硬件設計

 

LIDAR傳感器通過測量光脈衝到達目標並返回的時間來計算與目標之間的距離。測量時間時，以ADC 采樣數據為增量, 這裏ADC采樣速率決定了係統對接收的光脈衝采樣時的分辨率。公式1顯示如何根據ADC采樣速率計算距離。

 

開源LIDAR原型製作平台

 

 

其中：

 

L_S為光的速度

，3 × 10⁸ m/s

 

f_S為ADC采樣速率

 

N為光脈衝生成至返回接收期間ADC樣本的數量

 

假設係統使用AD9094JESD204B四通道ADC的1 GHz采樣速率，那麼每個樣本結果相當於15厘米距離。因此，係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係統以並行ADC為基礎，這種ADC本身提供零采樣不確定性。隨著接收通道的數量不斷增加，功率和PCB尺寸的要求越來越嚴格，這些ADC類型不能很好地擴展。另一選項是使用具備高速串行輸出的ADC
，例如JESD204B


，以解決並行ADC存在的問題。這種選項的數據接口複雜度更高，因此難以實現零采樣不確定性。

 

圖3.DAQ板時鍾和數據路徑。

 

圖4.AFE板信號鏈。

 

LIDAR DAQ板提供了解決這些挑戰的方案，通過展示為在Subclass 1模式下運行的JESD204B數據采集係統的電源、時鍾和數據接口設計來確保確定性延遲
，以實現零采樣不確定性，同時利用JESD204B接口提供的所有優勢，令時鍾方案的功耗達到最低。要在Subclass 1模式下運行JESD204B，係統總共要用到5個時鍾：

 

►      ADC采樣時鍾：驅動ADC信號采樣過程。

 

►      ADC和FPGA SYSREF：源同步、高壓擺率時序分辨率信號，用於重置器件時鍾分頻器
，以確保獲得確定性的延遲。

 

►      FPGA全局時鍾（也稱為內核時鍾或器件時鍾）：驅動JESD204B PHY層和FPGA邏輯的輸出。

 

►      FPGA參考時鍾：生成JESD204B收發器所需的PHY層內部時鍾；需要等於，或是器件時鍾的整數倍。

 

所有時鍾都由一個AD9528 JESD204B時鍾生成器生成，因此可以確保它們彼此都同步。 圖3顯示了時鍾方案
，以及與FPGA的數據接口。

 

AFE板接收光學反射信號
，將其轉化成電子信號，然後傳輸給DAQ板上的ADC。這個板可能是整個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）
，將光學信號轉化成電子信號，並采用為同樣的APD供電所需的–120 V至–300 V大電壓電源。16個電流輸出被饋送至4個低噪聲四通道互阻增益放大器(TIA)LTC6561
，帶有一個內部4合1複用器，用於選擇之後向其中一個ADC輸入端饋送的輸出通道。要特別注意TIA的輸入部分，以實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摻雜更多噪聲，從而最大化係統的SNR和對象檢測率。AFE板的設計顯示，要實現最高信號質量，最好的方法是讓APD和TIA之間的線路長度盡可能短，並在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，要保證該電路不會幹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。提供幾個旋鈕來控製信號鏈的偏置和APD偏置，這些偏置轉化成APD靈敏度，從而最大化ADC輸入範圍
，以實現最大SNR。圖4顯示了AFE板信號鏈的框圖。

 

激光器板生成波長為905 nm的光學脈衝。它使用四個激光器，這些激光器同時驅動
，以增加光束強度，實現更長的測量距離。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信號來控製。這些信號在FPGA上生成，以LVDS從FPGA傳輸至激光器板，經過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。驅動信號可以返回至其中一個ADC通道
，以獲得飛行時間參考。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中關於Class 1級激光器產品的要求。

 

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器件，以實現長距離測量。事實證明
，該係統可在60米範圍內測量
，使用快速軸準直器1，幫助激光二極管將垂直FoV縮小到1°
，同時在保持水平視場不變的情況下，在接收側放置一個非球麵透鏡。

 

HDL參考設計

 

HDL設計包含連接硬件的主要接口，其邏輯電路實現了將來自JESD鏈接的數據傳輸至係統存儲器，驅動激光器
，同步接收器和發射器以準確測量飛行時間，並且在所有組件上設計了通信接口。圖6顯示了HDL設計的簡化框圖。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FPGA端口。該設計使用ADI公司的JESD204B框架2，以及多個SPI和GPIO接口來接收來自AD9094 ADC的數據，以及控製該原型機平台上的所有器件。

 

JESD204鏈接配置用於支持4個數據轉換器(M)，這些轉換器使用線路速率為10 Gbps的4條路線來實現8位轉換器分辨率。器件時鍾與高速收發器的參考時鍾相同，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。

 

對於LIDAR係統
，最大的挑戰在於如何同步各種功能和發射脈衝，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IP，用於提供生成激光器脈衝所需的邏輯，控製TIA的內部多路複用器，以及為DMA提供背壓。所有這些控製函數都與發射脈衝同步
，以便係統無需保存所有原始高速量化數據流。如此
，大幅降低係統的總數據速率。

 

軟件

 

定義LIDAR平台的軟件堆棧的幾個關鍵點包括自由和開源。用戶因此能夠“自由運行
、複製、分發
、學習
、變更和改善軟件，”3包括從Linux®內核到用戶域的工具
，以及與此相關的所有代碼。

 

圖7.軟件堆棧。

 

內核中使用的軟件驅動器會啟動硬件組件，向用戶顯示所有可用功能。這些驅動器大部分都是工業I/O (IIO) Linux子係統的組成部分。4這些驅動器都與平台無關，所以無需改變硬件，包括與FPGA供應商相關的部分（例如
，從Xilinx® FPGA遷移至Intel®）。

 

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

 

ADI開發的IIO示波器就是這樣一項應用示例
，它使用libiio連接IIO器件，可在係統評估階段使用。該工具可在不同模式下捕捉和圖示數據（例如
，時域、頻域、星座圖、交互相關）、發送數據以及允許用戶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
，用戶期望使用平台相關的集合了低層驅動器調用的API，來展示一組功能，用於訪問和配置各種係統參數和流數據。因此，LIDAR原型製作平台采用特定的API，以及適用於常用框架和編程語言（例如C/C++、MATLAB®或Python®）的配套組件
，6使用戶能夠使用其首選的編程語言與係統連接，集中精力研發對客戶而言極具價值的算法和應用。

 

結論

 

對(dui)於(yu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)，在(zai)建(jian)立(li)架(jia)構(gou)和(he)做(zuo)出(chu)設(she)計(ji)決(jue)定(ding)時(shi)

，存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)的(de)模(mo)糊(hu)性(xing)。這(zhe)代(dai)表(biao)著(zhe)係(xi)統(tong)構(gou)建(jian)完(wan)成(cheng)後(hou)無(wu)法(fa)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)或(huo)運(yun)行(xing)的(de)風(feng)險(xian)，會(hui)導(dao)致(zhi)重(zhong)複(fu)的(de)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)，增(zeng)加(jia)開(kai)發(fa)成(cheng)本(ben)，以(yi)及(ji)延(yan)長(chang)產(chan)品(pin)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)。參(can)考(kao)設(she)計(ji)以(yi)預(yu)設(she)計(ji)的(de)、zhenduibicijiaohucaozuodexitongweijichu，yucongtoukaishidezidingyizhuanyongshejixiangbi
，qifengxianjiangdi，zhengtikeyucexinghekekaoxingtigao。zaiguihuaguochengzhongshiyongcankaoshejizuoweiqidian，youzhuyugengkuaijiangxinshejituixiangshichang，bingquebaochuxiangengshaodeyiwaihewenti。xitongshejirenyuanzongshixunqiutongguocankaopingtailaiyanzhengqishejifangan，yijiangdifengxianhetigaokekaoxing。qidongxiangmushi

，shiyongqingxibiaozhundeshejixuanxiangyouzhuyutuidongguihuaguochengdeshishi。ketongguoshiyongtongyongyuyanlaibangzhuxietiaomubiao，guliduogezhinengbumenxianghuhezuohecanyulaishixian
，bingqiebangzhujianhuazaigeshejimubiaozhijianpingguhequshedenandu。LIDAR原yuan型xing製zhi作zuo平ping台tai試shi圖tu通tong過guo提ti供gong開kai源yuan硬ying件jian和he軟ruan件jian設she計ji來lai滿man足zu這zhe些xie需xu求qiu，這zhe些xie設she計ji可ke以yi提ti供gong初chu始shi係xi統tong架jia構gou階jie段duan的de參can考kao。硬ying件jian平ping台tai和he軟ruan件jian堆dui棧zhan可ke用yong於yu整zheng個ge產chan品pin開kai發fa階jie段duan，從cong初chu始shi係xi統tong評ping估gu、開發
，到集成到最終產品中。參考設計的內容（例如工程圖紙和BOM）可構建
、合法

、本(ben)地(di)化(hua)的(de)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)良(liang)好(hao)的(de)開(kai)端(duan)。可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)縮(suo)短(duan)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)
，且(qie)可(ke)能(neng)在(zai)整(zheng)個(ge)過(guo)程(cheng)中(zhong)幫(bang)助(zhu)節(jie)省(sheng)資(zi)金(jin)。模(mo)塊(kuai)化(hua)硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)支(zhi)持(chi)使(shi)得(de)各(ge)種(zhong)配(pei)置(zhi)選(xuan)項(xiang)滿(man)足(zu)特(te)定(ding)的(de)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)，而(er)基(ji)於(yu)行(xing)業(ye)標(biao)準(zhun)框(kuang)架(jia)和(he)編(bian)程(cheng)語(yu)言(yan)
，搭(da)配(pei)應(ying)用(yong)示(shi)例(li)的(de)開(kai)源(yuan)軟(ruan)件(jian)堆(dui)棧(zhan)則(ze)允(yun)許(xu)客(ke)戶(hu)側(ce)重(zhong)於(yu)開(kai)發(fa)應(ying)用(yong)，為(wei)產(chan)品(pin)注(zhu)入(ru)價(jia)值(zhi)，無(wu)需(xu)將(jiang)精(jing)力(li)耗(hao)費(fei)在(zai)堆(dui)棧(zhan)的(de)低(di)層(ceng)。

 

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

 

4      Linux Driver Implementer的API指南。ADI公司

，2019年。

 

5      關於libiio。ADI公司，2019年。

 

6      “PyADI-IIO：ADI Python接口，適用於配備工業I/O驅動器的硬件。”GitHub, Inc.，2020年。

 

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

 

作者簡介

 

István Csomortáni是ADI公司的FPGA設計工程師，負責支持基於FPGA的參考設計的設計與開發。他擁有工業自動化與信息技術學士學位及集成電路設計碩士學位。他從2012年開始進入ADI公司工作，負責為高速轉換器和RF收發器提供各種係統級參考設計支持。聯係方式：istvan.csomortani@analog.com。

 

Dragos Bogdan目前是SDG部的小型嵌入式軟件開發團隊負責人，為各種類型的平台和組件增加開源裸機和Linux支持。Dragos於2011年加入ADI公司擔任軟件工程師。2010年到2011年間，他在Pergamon RD公司從事用於打印設備的嵌入式硬件和軟件的開發工作。在此之前
，他曾參加National Instruments和Continental Automotive的實習生項目。他擁有克盧日-納波卡科技大學電子學學士學位和自動化碩士學位。聯係方式：dragos.bogdan@analog.com。

 

Cristian Orian是ADI公司的係統設計工程師，負責評估平台的硬件開發工作。他擁有電子學博士學位。其工作領域還涉及電源設計。聯係方式：cristian.orian@analog.com。

 

Andrei Cozma是ADI公gong司si工gong程cheng設she計ji經jing理li，負fu責ze支zhi持chi係xi統tong級ji參can考kao設she計ji的de設she計ji與yu開kai發fa。他ta擁yong有you工gong業ye自zi動dong化hua與yu信xin息xi技ji術shu學xue士shi學xue位wei及ji電dian子zi與yu電dian信xin博bo士shi學xue位wei。他ta參can與yu過guo電dian機ji控kong製zhi、工業自動化、軟件定義無線電和電信等不同行業領域的項目設計與開發。聯係方式：andrei.cozma@analog.com。

 

 

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