開源LIDAR原型制作平臺

摘要

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品開發時間；詳細介紹模塊化硬件設計，包括光接收和發送信號鏈、FPGA接口，以及用于長距離感測的光學器件；介紹系統分區決策，以凸顯良好的系統設計、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，顯示客戶在產品開發期間如何受益，以及如何將這些產品集成到其最終的解決方案中。

圖1.LIDAR平臺系統設計。

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是該領域中發展最快的技術之一，隨著它越來越成熟和可靠，其應用范圍也變得更加廣泛，帶來了巨大的市場機遇。許多初創企業和知名傳感器公司都致力于開發更加精準、功耗低、尺寸小，且更加經濟高效的LIDAR傳感器，但在設計系統硬件、實施軟件基礎設施以和系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，令客戶能夠輕松將ADI LIDAR產品系列、軟件模塊和HDL IP集成到其產品和IC中，從而縮短上市時間。

圖2.產品開發周期。

系統架構

客戶在開發自己的LIDAR傳感器時，系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信號要求方面，所有傳感器都高度相似。基于這些假設，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，但仍可以用作整個系統。該系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開發板。它充當系統的基板，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，在系統設計中，模塊化意味著靈活性，但它也有一些缺點，比如復雜性增加、性能下降和成本增加，在決定系統分區時必須全面評估這些缺點。在這種情況下，系統被分成三個板，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。

?   對于接收器和發射器的位置和方向，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傳輸數字信號，使用同軸電纜來傳輸兩個電路板之間的模擬信號。

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于特定操作系統的驅動和接口、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連接與系統通信的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，因為這意味著將系統連接至PC以簡化開發時，在原型制作期間開發的同樣的應用軟件可輕松部署到嵌入式系統中，甚至無需觸碰低層接口。

圖3.DAQ板時鐘和數據路徑。

硬件設計

LIDAR傳感器通過測量光脈沖到達目標并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, 這里ADC采樣速率決定了系統對接收的光脈沖采樣時的分辨率。公式1顯示如何根據ADC采樣速率計算距離。

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

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數據采集系統的電源、時鐘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個時鐘：

?   ADC采樣時鐘： 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（也稱為內核時鐘或器件時鐘）：驅動JESD204B PHY層和FPGA邏輯的輸出。

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

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的數據接口。

AFE板接收光學反射信號，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，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，帶有一個內部4合1復用器，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，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，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，這些偏置轉化成APD靈敏度，從而最大化ADC輸入范圍，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的光學脈沖。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信號來控制。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中關于Class 1級激光器產品的要求。

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°，同時在保持水平視場不變的情況下，在接收側放置一個非球面透鏡。

圖4.AFE板信號鏈。