基于DSP的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)智能接口卡設(shè)計(jì)

無人自動(dòng)駕駛車輛是室外移動(dòng)機(jī)器人的一種，車上控制系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行自主控制，實(shí)現(xiàn)無人駕駛。我們的車輛研究使用SICK公司的LMS291激光雷達(dá)作為主要的障礙物檢測傳感器，并同時(shí)用于車輛的激光導(dǎo)航。該激光雷達(dá)支持RS-232和RS-422串行通信，由于RS-232通信的最大速率為20k bps，無法滿足車輛實(shí)時(shí)檢測障礙物的需要。因此，在智能車輛上，采用RS-422傳輸激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，傳輸速率為500K bps。

為滿足激光雷達(dá)和PC機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)有的解決方案的實(shí)時(shí)性得不到保障，而且都不具備任何數(shù)據(jù)處理功能，而障礙物檢測功能應(yīng)集成到底層硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，萬一PC發(fā)生死機(jī)，車輛仍能自動(dòng)避撞，保證了車輛系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，需要開發(fā)一套新的接口卡來實(shí)現(xiàn)這些功能。

1 接口卡研制目標(biāo)和總體方案

針對(duì)激光雷達(dá)在智能車輛上的應(yīng)用要求，我們對(duì)接口卡的功能提出了如下目標(biāo)：

（1）激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集功能。通過RS-422與LMS291激光雷達(dá)進(jìn)行通信，通信速率為500k bps；可實(shí)時(shí)獲取激光雷達(dá)數(shù)據(jù)；可配置激光雷達(dá)參數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸功能。通過CAN總線將采集的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)送往上位機(jī)PC。

（3）障礙物檢測功能。通過系統(tǒng)對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理，獲取障礙物檢測參數(shù)，通過I/O，直接發(fā)送緊急停車命令給底層控制器，緊急剎車。

根據(jù)系統(tǒng)要求，板上的CPU決定選用TI公司的TMS320LF2407A DSP芯片，它速度快、功耗低、易于開發(fā)、資源豐富、有片上CAN控制器等。LF2407A采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有16位高性能的CPU，時(shí)鐘頻率為40MHZ并支持軟件改變鎖相環(huán)的頻率，在智能控制和通信中得到廣泛應(yīng)用。500)this.style.width=500; border=0>

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 RS-422通信接口設(shè)計(jì)

RS-422A通信接口標(biāo)準(zhǔn)是EIA公布的“非平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性“標(biāo)準(zhǔn)，它采用非平衡發(fā)送器和差分接收器，電平變化范圍為12V，通信速率最大10Mbit/s(120m通信距離內(nèi)），通信速率最小90Kbit/s(1200m通信距離)。

由于本系統(tǒng)要適應(yīng)高速大流量數(shù)據(jù)通信，且要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，我們選用TI 公司的UART產(chǎn)品TL16C752B。它是一個(gè)超前的解決方案，提供了兩路相互獨(dú)立的異步收發(fā)器，具有64字節(jié)的發(fā)送和接收FIFO 存儲(chǔ)器，這樣服務(wù)間隔時(shí)間就增加了，使外部CPU 有多余時(shí)間處理其他的應(yīng)用，減少了整個(gè)UART 的中斷服務(wù)時(shí)間。

本系統(tǒng)將TL16C752B配置在LF2407A的I/O空間，TL16C752B還提供了2個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)分別用于通道A和B申請(qǐng)LF2407A中斷，復(fù)用LF2407A的外部中斷XINT1.

2.2 CAN通信接口設(shè)計(jì)

CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1MBPS。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。

本系統(tǒng)使用的DSP芯片已集成了片內(nèi)CAN控制器，收發(fā)器采用德州儀器公司生產(chǎn)的SN65HVD230 CAN總線收發(fā)器，主要是與帶有CAN控制器的TMS320Lx240x系列DSP配套使用，該收發(fā)器具有差分收發(fā)能力，最高速率可達(dá)1Mb/s。SN65HVD230具有高速、斜率和等待3種不同的工作模式。其工作模式控制可通過Rs控制引腳來實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的第一步是初始化，包括系統(tǒng)初始化、異步串口和CAN初始化等。然后是主體部分即UART和CAN的通信以及數(shù)據(jù)處理等。主體部分程序主要由三大塊組成：激光雷達(dá)配置模塊、UART和CAN通信模塊、車體避撞模塊。

3.1 激光雷達(dá)配置模塊

PC與激光雷達(dá)之間通過固定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信，配置激光雷達(dá)的流程如下：

(1) 首先打開串口，初始化, 等待激光雷達(dá)返回開機(jī)初始化的應(yīng)答數(shù)據(jù)。

(2) 使用默認(rèn)的密碼“SICK_LMS”，改變操作模式為“安裝模式”, 并等待雷達(dá)應(yīng)答數(shù)據(jù)的返回。

(3) 配置激光雷達(dá)和UART串口的速率。先將激光雷達(dá)波特率改為500K，等到返回修改成功的應(yīng)答數(shù)據(jù)后，再將UART串口的波特率也改為500K。

(4) 設(shè)置掃描寬度和角度分辨率，掃描寬度180度，角度分辨率為0.5度。

(5) 請(qǐng)求激光雷達(dá)的配置數(shù)據(jù)，目的是獲得一些參數(shù)的值，放到數(shù)組中，然后修改部分參數(shù)的值，并用命令77h將參數(shù)寫到激光雷達(dá)中。

(6) 切換到監(jiān)控模式，獲得激光雷達(dá)連續(xù)掃描數(shù)據(jù)。

此后雷達(dá)便開始以26.6毫秒的周期將測量數(shù)據(jù)以500Kbps的通信速率發(fā)送給接口卡。

3.2 UART和CAN通信模塊

UART采用中斷方式接收激光雷達(dá)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸速率為500Kbps，接收中斷非常頻繁，中斷程序過于復(fù)雜會(huì)延誤后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，所以整個(gè)中斷程序非常簡短，不超過20條指令。當(dāng)主程序檢測到UART接收到一楨數(shù)據(jù)后，就將數(shù)據(jù)寫入CAN郵箱4和5，通過CAN發(fā)送給PC機(jī)。同時(shí)，CAN通信采用中斷接收PC機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，再通過UART發(fā)送給激光雷達(dá)。

3.3 車體避撞模塊

車輛在自動(dòng)駕駛時(shí)需要實(shí)時(shí)檢測車前方一定范圍內(nèi)的障礙物，一旦發(fā)現(xiàn)有障礙物就必須控制車輛緊急制動(dòng)以免發(fā)生事故，這個(gè)障礙物檢測是由安裝在車前部的激光雷達(dá)完成的。

當(dāng)UART接收到激光雷達(dá)一E數(shù)據(jù)732個(gè)字節(jié)后，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)校驗(yàn)無誤后，去掉E頭和E尾，將距離數(shù)據(jù)的高位字節(jié)和低位字節(jié)合并，然后存放在數(shù)組Laser_Range[361]里。智能車輛的寬度為1.4米，我們?cè)O(shè)置了一個(gè)障礙物檢測區(qū)域，是以激光雷達(dá)為中心的一個(gè)2×2米的方形區(qū)域，只要在這個(gè)區(qū)域內(nèi)有障礙物我們就認(rèn)為車的前方有障礙物，需要緊急制動(dòng)。一楨激光雷達(dá)數(shù)據(jù)是361個(gè)距離值，在判斷時(shí)將這361個(gè)數(shù)據(jù)分為三個(gè)部分，三個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)分別有各自的判斷條件，條件如果成立則認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)有障礙物。當(dāng)檢測完361個(gè)數(shù)據(jù)以后，如果沒發(fā)現(xiàn)障礙物則認(rèn)為是安全的，如果發(fā)現(xiàn)了障礙物則認(rèn)為有危險(xiǎn)，這時(shí)直接通過I/O發(fā)送命令給底層控制器讓車輛緊急剎車。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本文對(duì)上述接口卡進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)平臺(tái)為上海交通大學(xué)研制的無人自動(dòng)駕駛車輛，測距傳感器為LMS291激光雷達(dá)，安裝在車輛前方。在車載筆記本電腦的VC++平臺(tái)上對(duì)CAN接口進(jìn)行配置，接收激光雷達(dá)在500kbps下發(fā)送的連續(xù)數(shù)據(jù)，對(duì)每一個(gè)測量的距離數(shù)據(jù)用一個(gè)小圓圈表示，在實(shí)驗(yàn)室外的車道上進(jìn)行了實(shí)際演示，結(jié)果如下

隨著前方障礙物的變化，圖像會(huì)實(shí)時(shí)地跟著變化。由于采集速率高，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)完全沒有丟失。數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性也很好，筆記本電腦接收激光雷達(dá)一楨732個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)間為27.2毫秒，比激光雷達(dá)實(shí)際的時(shí)間周期只延遲了0.6毫秒，達(dá)到了車輛精確定位導(dǎo)航算法的要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)無人自動(dòng)駕駛車輛的激光雷達(dá)避撞和導(dǎo)航的要求，設(shè)計(jì)了基于DSP的激光雷達(dá)智能接口卡，對(duì)PC機(jī)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)的結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性都很好。而且根據(jù)車輛實(shí)際演示的效果來看，避撞很可靠。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：1. 本文設(shè)計(jì)的接口卡采用處理速度較高的DSP系統(tǒng)和外擴(kuò)高速UART TL16C152B，使得接口卡采集數(shù)據(jù)的速度能夠達(dá)到500Kbps，目前市場上的接口卡一般都不能達(dá)到這一速度要求。2. 由于采用了高速的DSP系統(tǒng)，所以在數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)避撞。3. 本文的接口卡和上位機(jī)接口選擇了CAN總線傳輸，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性很高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明一楨732個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)只延遲了0.6毫秒，滿足了筆記本電腦進(jìn)行精確定位導(dǎo)航算法的要求。此接口卡已成功應(yīng)用在上海交通大學(xué)研制的無人自動(dòng)駕駛車輛上，取得了良好的效果。