開(kāi)源LIDAR原型制作平臺

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(shí)現了將來(lái)自JESD鏈接的數據傳輸至系統存儲器，驅動(dòng)激光器，同步接收器和發(fā)射器以準確測量飛行時(shí)間，并且在所有組件上設計了通信接口。圖6顯示了HDL設計的簡(jiǎn)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(gè)FPGA端口。該設計使用ADI公司的JESD204B框架²，以及多個(gè)SPI和GPIO接口來(lái)接收來(lái)自AD9094 ADC的數據，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(gè)數據轉換器(M)，這些轉換器使用線(xiàn)路速率為10 Gbps的4條路線(xiàn)來(lái)實(shí)現8位轉換器分辨率。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。

對于LIDAR系統，最大的挑戰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接收的必要數量的數據。為了解決這一挑戰，HDL設計中包含了一個(gè)IP，用于提供生成激光器脈沖所需的邏輯，控制TIA的內部多路復用器，以及為DMA提供背壓。所有這些控制函數都與發(fā)射脈沖同步，以便系統無(wú)需保存所有原始高速量化數據流。如此，大幅降低系統的總數據速率。

圖5.激光器板信號鏈。

軟件

定義LIDAR平臺的軟件堆棧的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)包括自由和開(kāi)源。用戶(hù)因此能夠“自由運行、復制、分發(fā)、學(xué)習、變更和改善軟件，”³ 包括從Linux^?內核到用戶(hù)域的工具，以及與此相關(guān)的所有代碼。

內核中使用的軟件驅動(dòng)器會(huì )啟動(dòng)硬件組件，向用戶(hù)顯示所有可用功能。這些驅動(dòng)器大部分都是工業(yè)I/O (IIO) Linux子系統的組成部分。4這些驅動(dòng)器都與平臺無(wú)關(guān)，所以無(wú)需改變硬件，包括與FPGA供應商相關(guān)的部分（例如，從Xilinx^? FPGA遷移至Intel^?）。

為了簡(jiǎn)化軟件接口IIO器件開(kāi)發(fā)，ADI開(kāi)發(fā)出了libiio庫。5該庫提取硬件的低層詳情，提供簡(jiǎn)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上運行的應用（包括，Linux、Windows^?、macOS^?）中使用該器件。

ADI開(kāi)發(fā)的IIO示波器就是這樣一項應用示例，它使用libiio連接IIO器件，可在系統評估階段使用。該工具可在不同模式下捕捉和圖示數據（例如，時(shí)域、頻域、星座圖、交互相關(guān)）、發(fā)送數據以及允許用戶(hù)查看和修改被檢測器件的設置。

雖然libiio提供低層編程接口，但在大多數情況下，用戶(hù)期望使用平臺相關(guān)的集合了低層驅動(dòng)器調用的API，來(lái)展示一組功能，用于訪(fǎng)問(wèn)和配置各種系統參數和流數據。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(yǔ)言（例如C/C++、MATLAB^?或Python^?）的配套組件，6使用戶(hù)能夠使用其首選的編程語(yǔ)言與系統連接，集中精力研發(fā)對客戶(hù)而言極具價(jià)值的算法和應用。

圖6.HDL設計框圖。

結論

對于系統設計，在建立架構和做出設計決定時(shí)，存在一定程度的模糊性。這代表著(zhù)系統構建完成后無(wú)法正常工作或運行的風(fēng)險，會(huì )導致重復的設計周期，增加開(kāi)發(fā)成本，以及延長(cháng)產(chǎn)品上市時(shí)間。參考設計以預設計的、針對彼此交互操作的系統為基礎，與從頭開(kāi)始的自定義專(zhuān)用設計相比，其風(fēng)險降低，整體可預測性和可靠性提高。在規劃過(guò)程中使用參考設計作為起點(diǎn)，有助于更快將新設計推向市場(chǎng)，并確保出現更少的意外和問(wèn)題。系統設計人員總是尋求通過(guò)參考平臺來(lái)驗證其設計方案，以降低風(fēng)險和提高可靠性。啟動(dòng)項目時(shí)，使用清晰標準的設計選項有助于推動(dòng)規劃過(guò)程的實(shí)施?？赏ㄟ^(guò)使用通用語(yǔ)言來(lái)幫助協(xié)調目標，鼓勵多個(gè)職能部門(mén)相互合作和參與來(lái)實(shí)現，并且幫助簡(jiǎn)化在各設計目標之間評估和取舍的難度。LIDAR原型制作平臺試圖通過(guò)提供開(kāi)源硬件和軟件設計來(lái)滿(mǎn)足這些需求，這些設計可以提供初始系統架構階段的參考。硬件平臺和軟件堆?？捎糜谡麄€(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，從初始系統評估、開(kāi)發(fā)，到集成到最終產(chǎn)品中。參考設計的內容（例如工程圖紙和BOM）可構建、合法、本地化的系統設計提供了一個(gè)良好的開(kāi)端?？梢詭椭s短設計周期，且可能在整個(gè)過(guò)程中幫助節省資金。模塊化硬件設計支持使得各種配置選項滿(mǎn)足特定的應用要求，而基于行業(yè)標準框架和編程語(yǔ)言，搭配應用示例的開(kāi)源軟件堆棧則允許客戶(hù)側重于開(kāi)發(fā)應用，為產(chǎn)品注入價(jià)值，無(wú)需將精力耗費在堆棧的低層。

圖7.軟件堆棧。

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(kāi)源軟件?！薄赌M對話(huà)》，第44卷第3期，2010年3月。

圖8.顯示LIDAR數據的IIO示波器捕捉窗口。

作者簡(jiǎn)介

István Csomortáni是ADI公司的FPGA設計工程師，負責支持基于FPGA的參考設計的設計與開(kāi)發(fā)。他擁有工業(yè)自動(dòng)化與信息技術(shù)學(xué)士學(xué)位及集成電路設計碩士學(xué)位。他從2012年開(kāi)始進(jìn)入ADI公司工作，負責為高速轉換器和RF收發(fā)器提供各種系統級參考設計支持。

Dragos Bogdan目前是SDG部的小型嵌入式軟件開(kāi)發(fā)團隊負責人，為各種類(lèi)型的平臺和組件增加開(kāi)源裸機和Linux支持。Dragos于2011年加入ADI公司擔任軟件工程師。2010年到2011年間，他在Pergamon RD公司從事用于打印設備的嵌入式硬件和軟件的開(kāi)發(fā)工作。在此之前，他曾參加National Instruments和Continental Automotive的實(shí)習生項目。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(dòng)化碩士學(xué)位。

Cristian Orian是ADI公司的系統設計工程師，負責評估平臺的硬件開(kāi)發(fā)工作。他擁有電子學(xué)博士學(xué)位。其工作領(lǐng)域還涉及電源設計。

Andrei Cozma是ADI公司工程設計經(jīng)理，負責支持系統級參考設計的設計與開(kāi)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(guò)電機控制、工業(yè)自動(dòng)化、軟件定義無(wú)線(xiàn)電和電信等不同行業(yè)領(lǐng)域的項目設計與開(kāi)發(fā)。