開源LIDAR原型制作平臺
發(fā)布時間:2020-07-02 來源:István Csomortáni,Dragos Bogdan,Cristian Orian,Andrei Cozma 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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,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)時間;詳細介紹模塊化硬件設(shè)計,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、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
隨著自動駕駛汽車和機器人從想象逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實,汽車和工業(yè)客戶開始尋求新的環(huán)境感知解決方案,力圖讓這些機器能夠自動導(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)濟高效的LIDAR傳感器,但在設(shè)計系統(tǒng)硬件、實施軟件基礎(chǔ)設(shè)施以和系統(tǒng)中的所有組件通信時,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)計和開源軟件堆棧提供價值,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,從而縮短上市時間。
系統(tǒng)架構(gòu)
客戶在開發(fā)自己的LIDAR傳感器時,系統(tǒng)設(shè)計中會存一些不同之處: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)計出模塊化LIDAR原型制作平臺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;該平臺根據(jù)特定的應(yīng)用要求設(shè)計,但仍可以用作整個系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以分為三個不同的電路板,每個都配備標(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)的時鐘和電源。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(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)動電路的激光器板。
和以往一樣,在系統(tǒng)設(shè)計中,模塊化意味著靈活性,但它也有一些缺點,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)時必須全面評估這些缺點。在這種情況下,系統(tǒng)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和時鐘很可能保持不變。
? 模擬前端硬件設(shè)計和尺寸根據(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電路板之間的模擬信號。
圖1.LIDAR平臺系統(tǒng)設(shè)計。
圖2.產(chǎn)品開發(fā)周期。
包含硬件設(shè)計的軟件堆棧以分層方法為基礎(chǔ),以少數(shù)幾個層級區(qū)分為適用于特定操作系統(tǒng)的驅(qū)動和接口、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)上運行,還是在通過網(wǎng)絡(luò)或USB連接與系統(tǒng)通信的PC上運行。如圖2所示,在不同的產(chǎn)品開發(fā)階段,這一點非常有用,因為這意味著將系統(tǒng)連接至PC以簡化開發(fā)時,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
LIDAR傳感器通過測量光脈沖到達目標(biāo)并返回的時間來計算與目標(biāo)之間的距離。測量時間時,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的分辨率。公式1顯示如何根據(jù)ADC采樣速率計算距離。
開源LIDAR原型制作平臺
其中:
LS為光的速度,3 × 108 m/s
fS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,因為任何樣本不確定性都可能導(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存在的問題。這種選項的數(shù)據(jù)接口復(fù)雜度更高,因此難以實現(xiàn)零采樣不確定性。
圖3.DAQ板時鐘和數(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模式下運行的JESD204B數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源、時鐘和數(shù)據(jù)接口設(shè)計來確保確定性延遲,以實現(xiàn)零采樣不確定性,同時利用JESD204B接口提供的所有優(yōu)勢,令時鐘方案的功耗達到最低。要在Subclass 1模式下運行JESD204B,系統(tǒng)總共要用到5個時鐘:
? ADC采樣時鐘:驅(qū)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,用于重置器件時鐘分頻器,以確保獲得確定性的延遲。
? FPGA全局時鐘(也稱為內(nèi)核時鐘或器件時鐘):驅(qū)動JESD204B PHY層和FPGA邏輯的輸出。
? FPGA參考時鐘:生成JESD204B收發(fā)器所需的PHY層內(nèi)部時鐘;需要等于,或是器件時鐘的整數(shù)倍。
所有時鐘都由一個AD9528 JESD204B時鐘生成器生成,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。這個板可能是整個設(shè)計中靈敏度最高的部分,因為它混合信號調(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(nèi)部4合1復(fù)用器,用于選擇之后向其中一個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(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)計顯示,要實現(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,要保證該電路不會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(dǎo)致的。提供幾個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。它使用四個激光器,這些激光器同時驅(qū)動,以增加光束強度,實現(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(shè)計符合國際標(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)計框圖。
AFE和激光器板都需要光學(xué)器件,以實現(xiàn)長距離測量。事實證明,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°,同時在保持水平視場不變的情況下,在接收側(cè)放置一個非球面透鏡。
HDL參考設(shè)計
HDL設(shè)計包含連接硬件的主要接口,其邏輯電路實現(xiàn)了將來自JESD鏈接的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)存儲器,驅(qū)動激光器,同步接收器和發(fā)射器以準(zhǔn)確測量飛行時間,并且在所有組件上設(shè)計了通信接口。圖6顯示了HDL設(shè)計的簡化框圖。ADI的HDL參考設(shè)計采用了通用架構(gòu)使得框架可擴展,且更容易連接另一個FPGA端口。該設(shè)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(shù)據(jù),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條路線來實現(xiàn)8位轉(zhuǎn)換器分辨率。器件時鐘與高速收發(fā)器的參考時鐘相同,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)計中包含了一個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平臺的軟件堆棧的幾個關(guān)鍵點包括自由和開源。用戶因此能夠“自由運行、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)動器會啟動硬件組件,向用戶顯示所有可用功能。這些驅(qū)動器大部分都是工業(yè)I/O (IIO) Linux子系統(tǒng)的組成部分。4這些驅(qū)動器都與平臺無關(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(tǒng)上運行的應(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,用戶期望使用平臺相關(guān)的集合了低層驅(qū)動器調(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)對客戶而言極具價值的算法和應(yīng)用。
結(jié)論
對于系統(tǒng)設(shè)計,在建立架構(gòu)和做出設(shè)計決定時,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行的風(fēng)險,會導(dǎo)致重復(fù)的設(shè)計周期,增加開發(fā)成本,以及延長產(chǎn)品上市時間。參考設(shè)計以預(yù)設(shè)計的、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)計相比,其風(fēng)險降低,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)計作為起點,有助于更快將新設(shè)計推向市場,并確保出現(xiàn)更少的意外和問題。系統(tǒng)設(shè)計人員總是尋求通過參考平臺來驗證其設(shè)計方案,以降低風(fēng)險和提高可靠性。啟動項目時,使用清晰標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計選項有助于推動規(guī)劃過程的實施??赏ㄟ^使用通用語言來幫助協(xié)調(diào)目標(biāo),鼓勵多個職能部門相互合作和參與來實現(xiàn),并且?guī)椭喕诟髟O(shè)計目標(biāo)之間評估和取舍的難度。LIDAR原型制作平臺試圖通過提供開源硬件和軟件設(shè)計來滿足這些需求,這些設(shè)計可以提供初始系統(tǒng)架構(gòu)階段的參考。硬件平臺和軟件堆??捎糜谡麄€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)計提供了一個良好的開端??梢詭椭s短設(shè)計周期,且可能在整個過程中幫助節(jié)省資金。模塊化硬件設(shè)計支持使得各種配置選項滿足特定的應(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)品注入價值,無需將精力耗費在堆棧的低層。
參考文獻
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(shè)計工程師,負(fù)責(zé)支持基于FPGA的參考設(shè)計的設(shè)計與開發(fā)。他擁有工業(yè)自動化與信息技術(shù)學(xué)士學(xué)位及集成電路設(shè)計碩士學(xué)位。他從2012年開始進入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發(fā)團隊負(fù)責(zé)人,為各種類型的平臺和組件增加開源裸機和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的實習(xí)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)位和自動化碩士學(xué)位。聯(lián)系方式:dragos.bogdan@analog.com。
Cristian Orian是ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計工程師,負(fù)責(zé)評估平臺的硬件開發(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。聯(lián)系方式:cristian.orian@analog.com。
Andrei Cozma是ADI公司工程設(shè)計經(jīng)理,負(fù)責(zé)支持系統(tǒng)級參考設(shè)計的設(shè)計與開發(fā)。他擁有工業(yè)自動化與信息技術(shù)學(xué)士學(xué)位及電子與電信博士學(xué)位。他參與過電機控制、工業(yè)自動化、軟件定義無線電和電信等不同行業(yè)領(lǐng)域的項目設(shè)計與開發(fā)。聯(lián)系方式:andrei.cozma@analog.com。
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