作者：Istva?n Csomorta?ni,Dragos Bogdan,Cristian Orian, andAndrei Cozma

本文討論ADI公司新的廣闊市場(chǎng)LIDAR原型設(shè)計(jì)平臺(tái)，以及該平臺(tái)如何通過提供完整的硬件和軟件解決方案來幫助縮短客戶的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，客戶可以使用該解決方案對(duì)其算法和定制硬件解決方案進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。它詳細(xì)介紹了模塊化硬件設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，包括光接收和發(fā)射信號(hào)鏈、FPGA 接口和用于遠(yuǎn)距離檢測(cè)的光學(xué)器件。解釋了所做的系統(tǒng)分區(qū)決策，有助于強(qiáng)調(diào)良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、接口定義和適當(dāng)模塊化級(jí)別的重要性。介紹了開源 LIDAR 軟件堆棧和特定于平臺(tái)的 API 的組件，展示了客戶如何在產(chǎn)品開發(fā)過程中從中受益，并將其集成到最終解決方案中。

介紹

隨著自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人不斷從科幻小說走向現(xiàn)實(shí)，汽車和工業(yè)客戶正在尋求新的環(huán)境感知解決方案，以使這些機(jī)器能夠自主導(dǎo)航。激光雷達(dá)是該領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)之一，隨著技術(shù)變得更加成熟和可靠，激光雷達(dá)正在得到更廣泛的采用，開辟了巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。由于許多初創(chuàng)公司和知名傳感器公司正在努力開發(fā)更精確、功耗更低、外形更小、更具成本效益的 LIDAR 傳感器，因此在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)施軟件基礎(chǔ)設(shè)施以與系統(tǒng)中的所有組件進(jìn)行通信時(shí)，它們都面臨著相同的挑戰(zhàn)。在這些領(lǐng)域，ADI可以通過硬件參考設(shè)計(jì)以及開源軟件堆棧帶來價(jià)值，使客戶能夠輕松地將ADI LIDAR產(chǎn)品組合中的IC以及軟件模塊和HDL IP集成到其產(chǎn)品中，從而縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

系統(tǒng)架構(gòu)

隨著客戶開發(fā)其激光雷達(dá)傳感器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾乎沒有差異化領(lǐng)域：接收和發(fā)射光學(xué)器件、激光器的數(shù)量和方向、激光發(fā)射模式、激光束轉(zhuǎn)向和光接收元件的數(shù)量。但是，無論這些選擇如何，接收信號(hào)鏈和激光驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求都存在高度的共性?；谶@些假設(shè)，ADI公司設(shè)計(jì)了模塊化LIDAR原型平臺(tái)AD-FMCLIDAR1-EBZ，旨在允許客戶使用自己的硬件輕松配置或替換設(shè)計(jì)部件，根據(jù)特定應(yīng)用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但仍能夠?qū)⒃撈脚_(tái)作為一個(gè)整體系統(tǒng)使用。該系統(tǒng)分為三個(gè)不同的板，具有標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字和模擬接口：

數(shù)據(jù)采集 （DAQ） 板，包含高速 JESD204B ADC 以及相應(yīng)的時(shí)鐘和電源。該板具有符合FMC標(biāo)準(zhǔn)的接口，可連接到用戶首選的FPGA開發(fā)板。它充當(dāng)系統(tǒng)中的基板，通過數(shù)字連接器將其他兩個(gè)板連接到基板，數(shù)字連接器在這些板和FPGA之間路由控制和反饋信號(hào)，并通過同軸電纜傳輸模擬信號(hào)。

模擬前端 （AFE） 板，包含雪崩光電探測(cè)器 （APD） 光傳感器和調(diào)理 APD 輸出信號(hào)所需的整個(gè)信號(hào)鏈，以便將其饋送到 DAQ 板上的 ADC。

包含激光器和驅(qū)動(dòng)電路的激光板。

圖1.激光雷達(dá)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

與往常一樣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，模塊化意味著靈活性，但它也存在諸如復(fù)雜性增加、性能下降和成本增加等缺點(diǎn)，在決定系統(tǒng)分區(qū)時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行全面評(píng)估。在本例中，系統(tǒng)被分解為這三塊板，原因如下：

無論模擬前端和所選激光解決方案的實(shí)現(xiàn)方式如何，ADC和時(shí)鐘都很可能保持不變。

模擬前端硬件設(shè)計(jì)和外形尺寸可能會(huì)發(fā)生變化，具體取決于所選的 APD、整體系統(tǒng)接收靈敏度和所選光學(xué)器件。

激光板的設(shè)計(jì)和外形尺寸也可能根據(jù)所選的照明解決方案和光學(xué)器件而發(fā)生變化。

系統(tǒng)必須在接收器和發(fā)射器的定位和定向方面提供很大的靈活性，以便它們彼此對(duì)齊或其他目標(biāo)，這就是為什么柔性電纜用于數(shù)字信號(hào)和同軸電纜用于板之間的模擬信號(hào)的原因。

硬件設(shè)計(jì)附帶的軟件堆棧基于分層方法，其中幾層將其劃分為特定于操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序和接口、特定于系統(tǒng)的 API 和應(yīng)用程序?qū)?。這允許堆棧的上層保持不變，無論軟件是在嵌入式目標(biāo)上運(yùn)行，還是通過網(wǎng)絡(luò)或 USB 連接與系統(tǒng)通信的 PC。這在不同的產(chǎn)品開發(fā)階段非常有價(jià)值，如圖2所示，因?yàn)檫@意味著在原型設(shè)計(jì)階段開發(fā)的相同應(yīng)用軟件，當(dāng)系統(tǒng)連接到PC以方便開發(fā)時(shí)，可以很容易地部署到嵌入式生產(chǎn)系統(tǒng)上，而無需接觸低級(jí)接口。

圖2.產(chǎn)品開發(fā)周期。

硬件設(shè)計(jì)

LIDAR傳感器通過測(cè)量光脈沖到達(dá)目標(biāo)并返回所需的時(shí)間來計(jì)算到目標(biāo)的距離。時(shí)間以ADC采樣速率的增量測(cè)量，因?yàn)檫@決定了系統(tǒng)對(duì)接收到的光脈沖進(jìn)行采樣的分辨率。公式1顯示了相對(duì)于ADC采樣速率的距離計(jì)算方式。

哪里：

LS是光速，3×108米/秒

fS 是 ADC 采樣速率

N 是自光脈沖生成到接收回來以來的 ADC 樣本數(shù)

假設(shè)系統(tǒng)中使用的AD9094 JESD204B四通道ADC的采樣速率為1 GHz，則每個(gè)采樣的結(jié)果對(duì)應(yīng)于15 cm的距離。因此，系統(tǒng)中沒有任何采樣不確定性至關(guān)重要，因?yàn)榧词故菐讉€(gè)樣本的不確定性也會(huì)導(dǎo)致較大的距離測(cè)量誤差。傳統(tǒng)上，LIDAR系統(tǒng)基于并行ADC，其固有的采樣不確定性為零。隨著接收通道數(shù)量的不斷增加以及功率和PCB尺寸要求變得更加嚴(yán)格，這些類型的ADC無法很好地?cái)U(kuò)展。另一種選擇是使用具有高速串行輸出的ADC，例如JESD204B，它解決了并行ADC存在的問題。此選項(xiàng)增加了數(shù)據(jù)接口的復(fù)雜性，使實(shí)現(xiàn)零采樣不確定性變得更加困難。

LIDAR DAQ板展示了如何為在子類1模式下運(yùn)行的JESD204B數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)接口，確保確定性延遲，從而實(shí)現(xiàn)零采樣不確定性，同時(shí)利用JESD204B接口提供的所有優(yōu)勢(shì)，并為時(shí)鐘方案提供盡可能低的功耗，從而為這些挑戰(zhàn)提供解決方案。要在JESD204B子類1模式下工作，系統(tǒng)中總共需要五個(gè)時(shí)鐘：

ADC 采樣時(shí)鐘：驅(qū)動(dòng) ADC 信號(hào)采樣過程。

ADC 和 FPGA SYSREF：源同步、高壓擺率時(shí)序分辨率信號(hào)，負(fù)責(zé)復(fù)位器件時(shí)鐘分頻器，以確保確定性延遲。

FPGA全局時(shí)鐘（也稱為內(nèi)核時(shí)鐘或器件時(shí)鐘）：驅(qū)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(nèi)部時(shí)鐘;需要等于或設(shè)備時(shí)鐘的整數(shù)倍。

所有時(shí)鐘均由一個(gè)AD9528 JESD204B時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生，從而確保它們彼此同步。圖 3 顯示了時(shí)鐘方案以及與 FPGA 的數(shù)據(jù)接口。

圖3.DAQ 板 時(shí)鐘 和 數(shù)據(jù) 路徑。

AFE板接收光反射信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將其傳輸?shù)紻AQ板上的ADC。該板可能是整個(gè)設(shè)計(jì)中最敏感的部分，因?yàn)樗鼘⑿盘?hào)條件電路與 16 通道 APD 陣列產(chǎn)生的微安電流信號(hào)混合在一起，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以及為同一 APD 供電所需的 –120 V 至 –300 V 范圍內(nèi)的高壓電源。16 個(gè)電流輸出通過一個(gè)內(nèi)部 4：1 多路復(fù)用器饋入 4 個(gè)低噪聲、4 通道、跨阻放大器 （TIA） LTC6561s，以選擇隨后饋入 4 個(gè) ADC 輸入之一的輸出通道。TIA的輸入部分需要大量關(guān)注，以實(shí)現(xiàn)所需的信號(hào)完整性和通道隔離水平，以便APD產(chǎn)生的極低電流信號(hào)不會(huì)增加額外的噪聲，從而最大限度地提高系統(tǒng)的SNR和目標(biāo)檢測(cè)率。AFE 板的設(shè)計(jì)展示了實(shí)現(xiàn)最大信號(hào)質(zhì)量的最佳實(shí)踐，方法是保持 APD 和 TIA 之間的走線長(zhǎng)度盡可能短，在 TIA 輸入之間增加過孔以實(shí)現(xiàn)最大的通道間隔離，并定位信號(hào)條件電路，使其不會(huì)干擾板上的其他電源電路。另一個(gè)重要特性是能夠測(cè)量APD的溫度，以便能夠補(bǔ)償APD信號(hào)輸出的變化，因?yàn)锳PD的溫度在正常工作期間升高。提供幾個(gè)旋鈕來控制信號(hào)鏈的偏移和APD偏置（轉(zhuǎn)換為APD靈敏度），以便能夠最大化ADC輸入范圍以獲得最大SNR。圖4顯示了AFE板信號(hào)鏈的框圖。

圖4.AFE 板信號(hào)鏈。

激光板產(chǎn)生波長(zhǎng)為 905 nm 的光脈沖。它使用四個(gè)同時(shí)驅(qū)動(dòng)的激光器來增加光束強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)測(cè)量范圍。FPGA載板產(chǎn)生的PWM信號(hào)具有可編程的脈沖寬度和頻率，用于控制激光器。信號(hào)在FPGA上以LVDS的形式生成，使其在通過DAQ板和連接DAQ和激光板的帶狀電纜從FPGA傳輸?shù)郊す獍鍟r(shí)不易受到噪聲的影響。驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以反饋到其中一個(gè)ADC通道，作為飛行時(shí)間參考。外部電源用于為激光器供電。該設(shè)計(jì)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 60825-1：2014 和 IEC 60825-1：2007 的 1 類激光產(chǎn)品。

圖5.激光板信號(hào)鏈。

AFE 和激光板都需要光學(xué)器件才能進(jìn)行長(zhǎng)距離操作。該系統(tǒng)經(jīng)證明可在使用快速軸準(zhǔn)直器在 60 m 處運(yùn)行1用于將垂直FoV縮小到1°同時(shí)保持水平視場(chǎng)不變的激光二極管，以及用于接收側(cè)的非球面透鏡。

高密度脂蛋白參考設(shè)計(jì)

HDL設(shè)計(jì)構(gòu)成了硬件的主要接口，并實(shí)現(xiàn)了將數(shù)據(jù)從JESD鏈路傳輸?shù)较到y(tǒng)存儲(chǔ)器的所有邏輯，驅(qū)動(dòng)激光器，同步接收器和發(fā)射器以實(shí)現(xiàn)精確的飛行時(shí)間測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)計(jì)中所有組件的通信接口。圖6顯示了HDL設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化框圖。ADI公司HDL參考設(shè)計(jì)的通用架構(gòu)使該框架具有可擴(kuò)展性，并且更容易移植到另一個(gè)FPGA載波。該設(shè)計(jì)采用ADI公司的JESD204B框架2以及多個(gè)SPI和GPIO接口，用于從AD9094 ADC接收數(shù)據(jù)并控制原型平臺(tái)上的所有器件。

圖6.高密度脂蛋白設(shè)計(jì)框圖。

JESD204鏈路配置為支持四個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（M），使用四個(gè)通道（L），通道速率為10 Gbps，轉(zhuǎn)換器分辨率為8位。器件時(shí)鐘與高速收發(fā)器的參考時(shí)鐘相同，設(shè)置為 250 MHz，由 DAQ 板 提供。鏈路在子類 1 模式下運(yùn)行，可確保高速轉(zhuǎn)換器和 FPGA 之間的確定性延遲。

LIDAR系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是如何將各種功能與發(fā)射脈沖同步，以及如何處理從高速ADC接收的必要數(shù)據(jù)量。為了解決這個(gè)問題，HDL設(shè)計(jì)包含一個(gè)IP，該IP提供產(chǎn)生激光脈沖所需的邏輯，控制TIA的內(nèi)部多路復(fù)用器，并為DMA提供背壓。所有這些控制功能都與發(fā)射脈沖同步，因此系統(tǒng)不必保存所有原始數(shù)字化高速數(shù)據(jù)流。這樣，系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)速率大大降低。

軟件

定義激光雷達(dá)平臺(tái)軟件堆棧的關(guān)鍵點(diǎn)是免費(fèi)和開源的。用戶通過他們獲得“運(yùn)行、復(fù)制、分發(fā)、研究、更改和改進(jìn)軟件的自由”。3從 Linux 內(nèi)核開始，繼續(xù)使用用戶空間工具，一切都尊重這一點(diǎn)。?

圖7.軟件堆棧。

內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的軟件驅(qū)動(dòng)程序初始化硬件組件，并向用戶公開其所有有用的功能。這些驅(qū)動(dòng)程序中的大多數(shù)都是工業(yè) I/O （IIO） Linux 子系統(tǒng)的一部分。4這些驅(qū)動(dòng)程序都與平臺(tái)無關(guān)，因此硬件更改（包括載波更改（例如，從 Xilinx FPGA 遷移到英特爾驅(qū)動(dòng)程序）不需要更改它們。??

為了簡(jiǎn)化軟件接口IIO器件的開發(fā)，ADI開發(fā)了libiio庫(kù)。5它抽象了硬件的低級(jí)細(xì)節(jié)，并提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而完整的編程接口，可用于高級(jí)項(xiàng)目。各種可用的libiio后端（例如，本地，網(wǎng)絡(luò)，USB，串行）使得可以從在不同操作系統(tǒng)（例如，Linux，Windows，macOS）上運(yùn)行的應(yīng)用程序本地和遠(yuǎn)程使用IIO設(shè)備。??

ADI公司開發(fā)的IIO示波器是使用libiio與IIO器件接口的應(yīng)用示例，可在系統(tǒng)評(píng)估階段使用。該工具可以在不同模式（例如，時(shí)域、頻域、星座、互相關(guān)）下捕獲和繪制數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)，并允許用戶查看和修改檢測(cè)到的設(shè)備的設(shè)置。

圖8.顯示激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的IIO示波器捕獲窗口。

雖然 libiio 提供了一個(gè)低級(jí)編程接口，但在大多數(shù)情況下，用戶期望一個(gè)特定于平臺(tái)的 API，該 API 抽象低級(jí)驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用并公開一組函數(shù)來訪問和配置各種系統(tǒng)參數(shù)以及從系統(tǒng)流式傳輸數(shù)據(jù)。出于這個(gè)原因，LIDAR原型平臺(tái)附帶了一個(gè)特定的API，其中包含用于流行框架和編程語言（如C / C++，MATLAB或Python）的綁定。??6使用戶能夠使用他們喜歡的編程語言與系統(tǒng)交互，并專注于算法和應(yīng)用程序，這是向客戶提供的價(jià)值。

結(jié)論

在任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)建立架構(gòu)并做出設(shè)計(jì)決策時(shí)，都會(huì)存在一定程度的歧義。這表示系統(tǒng)在構(gòu)建后無法按預(yù)期工作或執(zhí)行的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致多個(gè)設(shè)計(jì)周期、增加開發(fā)成本和延長(zhǎng)產(chǎn)品上市時(shí)間。參考設(shè)計(jì)建立在旨在相互互操作的預(yù)制系統(tǒng)之上，與使用從頭開始構(gòu)建的自定義一次性設(shè)計(jì)相比，參考設(shè)計(jì)可降低風(fēng)險(xiǎn)并提高整體可預(yù)測(cè)性和可靠性。在規(guī)劃過程中使用參考設(shè)計(jì)作為起點(diǎn)有助于更快地將新設(shè)計(jì)推向市場(chǎng)，并有助于確保減少意外和問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直在尋找參考平臺(tái)來證明設(shè)計(jì)決策，從而降低風(fēng)險(xiǎn)并提高可靠性。使用清晰和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)選項(xiàng)啟動(dòng)項(xiàng)目有助于規(guī)劃過程。它通過使用通用語言來幫助協(xié)調(diào)目標(biāo)，鼓勵(lì)跨多個(gè)職能部門的合作和參與，并更輕松地評(píng)估設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的權(quán)衡。LIDAR原型設(shè)計(jì)平臺(tái)試圖通過提供可在初始系統(tǒng)架構(gòu)階段引用的開源硬件和軟件設(shè)計(jì)來滿足這些需求。硬件平臺(tái)和軟件堆棧可用于產(chǎn)品開發(fā)的所有階段，從初始系統(tǒng)評(píng)估、開發(fā)和集成到最終產(chǎn)品中。參考設(shè)計(jì)的內(nèi)容（如工程圖紙和 BOM）為構(gòu)建可構(gòu)建、合法和本地化的設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了良好的開端。這縮短了設(shè)計(jì)周期，并可能在此過程中節(jié)省資金。模塊化硬件設(shè)計(jì)允許各種配置選項(xiàng)以滿足特定的應(yīng)用程序要求，而開源軟件堆?；谛袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)框架和編程語言，并附有應(yīng)用程序示例，使客戶能夠?qū)Ｗ⒂陂_發(fā)為其產(chǎn)品帶來價(jià)值的應(yīng)用程序，而無需在堆棧的低級(jí)部分花費(fèi)精力。

審核編輯：郭婷