開源LIDAR原型制作平臺(tái)

作者：ADI公司 - István Csomortáni，FPGA設(shè)計(jì)工程師；Dragos Bogdan，軟件開發(fā)工程經(jīng)理；Cristian Orian，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師；Andrei Cozma，工程經(jīng)理

本文探討ADI公司新推出且擁有廣泛市場的LIDAR原型制作平臺(tái)，以及它如何通過提供完整的硬件和軟件解決方案，使得用戶能夠建立其算法和自定義硬件解決方案的原型，從而幫助客戶縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間；詳細(xì)介紹模塊化硬件設(shè)計(jì)，包括光接收和發(fā)送信號鏈、FPGA接口，以及用于長距離感測的光學(xué)器件；介紹系統(tǒng)分區(qū)決策，以凸顯良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、接口定義和合適的模塊化分級的重要性；描述開源LIDAR軟件堆棧的組件和平臺(tái)定制的API，顯示客戶在產(chǎn)品開發(fā)期間如何受益，以及如何將這些產(chǎn)品集成到其最終的解決方案中。

簡介

隨著自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人從想象逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，汽車和工業(yè)客戶開始尋求新的環(huán)境感知解決方案，力圖讓這些機(jī)器能夠自動(dòng)導(dǎo)航。LIDAR是該領(lǐng)域中發(fā)展最快的技術(shù)之一，隨著它越來越成熟和可靠，其應(yīng)用范圍也變得更加廣泛，帶來了巨大的市場機(jī)遇。許多初創(chuàng)企業(yè)和知名傳感器公司都致力于開發(fā)更加精準(zhǔn)、功耗低、尺寸小，且更加經(jīng)濟(jì)高效的LIDAR傳感器，但在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件、實(shí)施軟件基礎(chǔ)設(shè)施以和系統(tǒng)中的所有組件通信時(shí)，他們都遇到了同樣的挑戰(zhàn)。正是在這些區(qū)域，ADI能夠通過軟件參考設(shè)計(jì)和開源軟件堆棧提供價(jià)值，令客戶能夠輕松將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(tǒng)架構(gòu)

客戶在開發(fā)自己的LIDAR傳感器時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)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(shù)量。但是，不管做出什么選擇，在接收信號鏈和激光器驅(qū)動(dòng)信號要求方面，所有傳感器都高度相似?；谶@些假設(shè)，ADI公司設(shè)計(jì)出模塊化LIDAR原型制作平臺(tái)AD-FMCLIDAR1-EBZ，以期讓客戶能夠使用他們自己的硬件輕松配置或更換器件；該平臺(tái)根據(jù)特定的應(yīng)用要求設(shè)計(jì)，但仍可以用作整個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以分為三個(gè)不同的電路板，每個(gè)都配備標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字和模擬接口：

?數(shù)據(jù)采集（DAQ）電路板，包含高速JESD204B ADC、對應(yīng)的時(shí)鐘和電源。此電路板上有一個(gè)符合FMC要求的接口，可以連接至用戶首選的FPGA開發(fā)板。它充當(dāng)系統(tǒng)的基板，通過用于在這些板和FPGA之間路由控制和反饋信號的數(shù)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(diào)諧APD輸出信號，以便能饋入DAQ板上的ADC。

?包含激光器和驅(qū)動(dòng)電路的激光器板。

和以往一樣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，模塊化意味著靈活性，但它也有一些缺點(diǎn)，比如復(fù)雜性增加、性能下降和成本增加，在決定系統(tǒng)分區(qū)時(shí)必須全面評估這些缺點(diǎn)。在這種情況下，系統(tǒng)被分成三個(gè)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(shí)鐘很可能保持不變。

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

?激光器板設(shè)計(jì)和尺寸根據(jù)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(tǒng)提供很大的靈活性，以便它們彼此對應(yīng)或和其他目標(biāo)對應(yīng)，因此使用柔性電纜來傳輸數(shù)字信號，使用同軸電纜來傳輸兩個(gè)電路板之間的模擬信號。

圖1.LIDAR平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖2.產(chǎn)品開發(fā)周期。

包含硬件設(shè)計(jì)的軟件堆棧以分層方法為基礎(chǔ)，以少數(shù)幾個(gè)層級區(qū)分為適用于特定操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和接口、系統(tǒng)特定的API和應(yīng)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(biāo)上運(yùn)行，還是在通過網(wǎng)絡(luò)或USB連接與系統(tǒng)通信的PC上運(yùn)行。如圖2所示，在不同的產(chǎn)品開發(fā)階段，這一點(diǎn)非常有用，因?yàn)檫@意味著將系統(tǒng)連接至PC以簡化開發(fā)時(shí)，在原型制作期間開發(fā)的同樣的應(yīng)用軟件可輕松部署到嵌入式系統(tǒng)中，甚至無需觸碰低層接口。

硬件設(shè)計(jì)

LIDAR傳感器通過測量光脈沖到達(dá)目標(biāo)并返回的時(shí)間來計(jì)算與目標(biāo)之間的距離。測量時(shí)間時(shí)，以ADC 采樣數(shù)據(jù)為增量， 這里ADC采樣速率決定了系統(tǒng)對接收的光脈沖采樣時(shí)的分辨率。公式1顯示如何根據(jù)ADC采樣速率計(jì)算距離。

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(shù)量

假設(shè)系統(tǒng)使用AD9094JESD204B四通道ADC的1 GHz采樣速率，那么每個(gè)樣本結(jié)果相當(dāng)于15厘米距離。因此，系統(tǒng)中不能存在采樣不確定性，因?yàn)槿魏螛颖静淮_定性都可能導(dǎo)致巨大的距離測量誤差。傳統(tǒng)上，LIDAR系統(tǒng)以并行ADC為基礎(chǔ)，這種ADC本身提供零采樣不確定性。隨著接收通道的數(shù)量不斷增加，功率和PCB尺寸的要求越來越嚴(yán)格，這些ADC類型不能很好地?cái)U(kuò)展。另一選項(xiàng)是使用具備高速串行輸出的ADC，例如JESD204B，以解決并行ADC存在的問題。這種選項(xiàng)的數(shù)據(jù)接口復(fù)雜度更高，因此難以實(shí)現(xiàn)零采樣不確定性。

圖3.DAQ板時(shí)鐘和數(shù)據(jù)路徑。

圖4.AFE板信號鏈。

LIDAR DAQ板提供了解決這些挑戰(zhàn)的方案，通過展示為在Subclass 1模式下運(yùn)行的JESD204B數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)來確保確定性延遲，以實(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，令時(shí)鐘方案的功耗達(dá)到最低。要在Subclass 1模式下運(yùn)行JESD204B，系統(tǒng)總共要用到5個(gè)時(shí)鐘：

?ADC采樣時(shí)鐘：驅(qū)動(dòng)ADC信號采樣過程。

?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，或是器件時(shí)鐘的整數(shù)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(shù)據(jù)接口。

AFE板接收光學(xué)反射信號，將其轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)中靈敏度最高的部分，因?yàn)樗旌闲盘栒{(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(nèi)部4合1復(fù)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(xiàn)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(tǒng)的SNR和對象檢測率。AFE板的設(shè)計(jì)顯示，要實(shí)現(xiàn)最高信號質(zhì)量，最好的方法是讓APD和TIA之間的線路長度盡可能短，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(diào)節(jié)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(xiàng)重要特性是能夠測量APD的溫度，以補(bǔ)償APD信號輸出的變化，這種變化是因?yàn)樵谡＿\(yùn)行期間APD溫度上升導(dǎo)致的。提供幾個(gè)旋鈕來控制信號鏈的偏置和APD偏置，這些偏置轉(zhuǎn)化成APD靈敏度，從而最大化ADC輸入范圍，以實(shí)現(xiàn)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(xué)脈沖。它使用四個(gè)激光器，這些激光器同時(shí)驅(qū)動(dòng)，以增加光束強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)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信號來控制。這些信號在FPGA上生成，以LVDS從FPGA傳輸至激光器板，經(jīng)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(qū)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(shè)計(jì)符合國際標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)框圖。

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

HDL參考設(shè)計(jì)

HDL設(shè)計(jì)包含連接硬件的主要接口，其邏輯電路實(shí)現(xiàn)了將來自JESD鏈接的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)存儲(chǔ)器，驅(qū)動(dòng)激光器，同步接收器和發(fā)射器以準(zhǔn)確測量飛行時(shí)間，并且在所有組件上設(shè)計(jì)了通信接口。圖6顯示了HDL設(shè)計(jì)的簡化框圖。ADI的HDL參考設(shè)計(jì)采用了通用架構(gòu)使得框架可擴(kuò)展，且更容易連接另一個(gè)FPGA端口。該設(shè)計(jì)使用ADI公司的JESD204B框架2，以及多個(gè)SPI和GPIO接口來接收來自AD9094 ADC的數(shù)據(jù)，以及控制該原型機(jī)平臺(tái)上的所有器件。

JESD204鏈接配置用于支持4個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（M），這些轉(zhuǎn)換器使用線路速率為10 Gbps的4條路線來實(shí)現(xiàn)8位轉(zhuǎn)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(shè)置為250 MHz，由DAQ板提供。該鏈接在Subclass 1模式下運(yùn)行，確保高速轉(zhuǎn)換器和FPGA之間具備確定性延遲。

對于LIDAR系統(tǒng)，最大的挑戰(zhàn)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(shù)量的數(shù)據(jù)。為了解決這一挑戰(zhàn)，HDL設(shè)計(jì)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(nèi)部多路復(fù)用器，以及為DMA提供背壓。所有這些控制函數(shù)都與發(fā)射脈沖同步，以便系統(tǒng)無需保存所有原始高速量化數(shù)據(jù)流。如此，大幅降低系統(tǒng)的總數(shù)據(jù)速率。

軟件

定義LIDAR平臺(tái)的軟件堆棧的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)包括自由和開源。用戶因此能夠“自由運(yùn)行、復(fù)制、分發(fā)、學(xué)習(xí)、變更和改善軟件，”3 包括從Linux?內(nèi)核到用戶域的工具，以及與此相關(guān)的所有代碼。

圖7.軟件堆棧。

內(nèi)核中使用的軟件驅(qū)動(dòng)器會(huì)啟動(dòng)硬件組件，向用戶顯示所有可用功能。這些驅(qū)動(dòng)器大部分都是工業(yè)I/O （IIO） Linux子系統(tǒng)的組成部分。4這些驅(qū)動(dòng)器都與平臺(tái)無關(guān)，所以無需改變硬件，包括與FPGA供應(yīng)商相關(guān)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(fā)，ADI開發(fā)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(xiàng)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(yuǎn)程在不同操作系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用（包括，Linux、Windows?、macOS?）中使用該器件。

ADI開發(fā)的IIO示波器就是這樣一項(xiàng)應(yīng)用示例，它使用libiio連接IIO器件，可在系統(tǒng)評估階段使用。該工具可在不同模式下捕捉和圖示數(shù)據(jù)（例如，時(shí)域、頻域、星座圖、交互相關(guān)）、發(fā)送數(shù)據(jù)以及允許用戶查看和修改被檢測器件的設(shè)置。

圖8.顯示LIDAR數(shù)據(jù)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(shù)情況下，用戶期望使用平臺(tái)相關(guān)的集合了低層驅(qū)動(dòng)器調(diào)用的API，來展示一組功能，用于訪問和配置各種系統(tǒng)參數(shù)和流數(shù)據(jù)。因此，LIDAR原型制作平臺(tái)采用特定的API，以及適用于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系統(tǒng)連接，集中精力研發(fā)對客戶而言極具價(jià)值的算法和應(yīng)用。

結(jié)論

對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在建立架構(gòu)和做出設(shè)計(jì)決定時(shí)，存在一定程度的模糊性。這代表著系統(tǒng)構(gòu)建完成后無法正常工作或運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)導(dǎo)致重復(fù)的設(shè)計(jì)周期，增加開發(fā)成本，以及延長產(chǎn)品上市時(shí)間。參考設(shè)計(jì)以預(yù)設(shè)計(jì)的、針對彼此交互操作的系統(tǒng)為基礎(chǔ)，與從頭開始的自定義專用設(shè)計(jì)相比，其風(fēng)險(xiǎn)降低，整體可預(yù)測性和可靠性提高。在規(guī)劃過程中使用參考設(shè)計(jì)作為起點(diǎn)，有助于更快將新設(shè)計(jì)推向市場，并確保出現(xiàn)更少的意外和問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員總是尋求通過參考平臺(tái)來驗(yàn)證其設(shè)計(jì)方案，以降低風(fēng)險(xiǎn)和提高可靠性。啟動(dòng)項(xiàng)目時(shí)，使用清晰標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)選項(xiàng)有助于推動(dòng)規(guī)劃過程的實(shí)施?？赏ㄟ^使用通用語言來幫助協(xié)調(diào)目標(biāo)，鼓勵(lì)多個(gè)職能部門相互合作和參與來實(shí)現(xiàn)，并且?guī)椭喕诟髟O(shè)計(jì)目標(biāo)之間評估和取舍的難度。LIDAR原型制作平臺(tái)試圖通過提供開源硬件和軟件設(shè)計(jì)來滿足這些需求，這些設(shè)計(jì)可以提供初始系統(tǒng)架構(gòu)階段的參考。硬件平臺(tái)和軟件堆棧可用于整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)階段，從初始系統(tǒng)評估、開發(fā)，到集成到最終產(chǎn)品中。參考設(shè)計(jì)的內(nèi)容（例如工程圖紙和BOM）可構(gòu)建、合法、本地化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的開端。可以幫助縮短設(shè)計(jì)周期，且可能在整個(gè)過程中幫助節(jié)省資金。模塊化硬件設(shè)計(jì)支持使得各種配置選項(xiàng)滿足特定的應(yīng)用要求，而基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)框架和編程語言，搭配應(yīng)用示例的開源軟件堆棧則允許客戶側(cè)重于開發(fā)應(yīng)用，為產(chǎn)品注入價(jià)值，無需將精力耗費(fèi)在堆棧的低層。

參考文獻(xiàn)

1 快速軸準(zhǔn)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(qū)動(dòng)器的硬件?！盙itHub， Inc.，2020年。

Michael Hennerich和Robin Getz?！癆DI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(shè)計(jì)工程師，負(fù)責(zé)支持基于FPGA的參考設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與開發(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(shè)計(jì)碩士學(xué)位。他從2012年開始進(jìn)入ADI公司工作，負(fù)責(zé)為高速轉(zhuǎn)換器和RF收發(fā)器提供各種系統(tǒng)級參考設(shè)計(jì)支持。

Dragos Bogdan目前是SDG部的小型嵌入式軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，為各種類型的平臺(tái)和組件增加開源裸機(jī)和Linux支持。Dragos于2011年加入ADI公司擔(dān)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(shè)備的嵌入式硬件和軟件的開發(fā)工作。在此之前，他曾參加National Instruments和Continental Automotive的實(shí)習(xí)生項(xiàng)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。

Cristian Orian是ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師，負(fù)責(zé)評估平臺(tái)的硬件開發(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(shè)計(jì)。

Andrei Cozma是ADI公司工程設(shè)計(jì)經(jīng)理，負(fù)責(zé)支持系統(tǒng)級參考設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與開發(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。他參與過電機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化、軟件定義無線電和電信等不同行業(yè)領(lǐng)域的項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)。