跨阻放大器芯片的检测装置、光电接收装置及激光雷达的制作方法

1.本技术涉及但不限于激光雷达技术领域，尤其涉及一种跨阻放大器(trans-impedance amplifier，tia)芯片的检测装置、光电接收装置及激光雷达。


背景技术：

2.在激光雷达的测距过程中，为了得到更准确的测距结果，会使用tia芯片对光电探测器输出的电流信号进行放大，得到方便测量的电压信号。因此，在激光雷达的光电系统中，tia芯片起到了很重要的作用，会直接影响到后级电路的处理。
3.在当前的光电系统中，tia芯片作为开环器件，无法保证在tia芯片发生故障时，激光雷达的后级电路还能稳定输出测距结果。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种tia芯片的检测装置，以实现对tia芯片的异常检测。
5.第一方面，本技术提供一种tia芯片的检测装置，包括：第一采样电阻、用于对tia芯片进行电压采样的模数转换器(analog to digital converter，adc)以及用于对tia芯片进行异常检测的现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)；其中，tia芯片的第一电源输出端与第一采样电阻的第一端以及adc的第一输入端连接于第一节点，tia芯片的第二电源输出端与第一采样电阻的第二端以及adc的第二输入端连接于第二节点，adc的第一输出端与fpga连接。
6.在一些可能的实施方式中，fpga与adc的第一输出端连接；fpga，被配置为根据adc采样的第一电压值，计算tia芯片的第一电流值，并根据第一电流值，确定tia芯片是否异常。
7.在一些可能的实施方式中，tia芯片还包括复位接口，fpga通过复位接口与tia芯片连接；fpga，还被配置为当tia芯片的第一电流值大于预设电流值时，确定tia芯片异常，并通过复位接口向tia芯片发送复位信号，复位信号用于指示tia芯片复位重启。
8.在一些可能的实施方式中，tia芯片还包括配置接口；fpga，还被配置为在tia芯片异常之后，根据第一电流值，确定tia芯片是否异常；当tia芯片的第一电流值小于或者等于预设电流值时，向tia芯片发送配置信号，配置信号用于配置tia芯片。
9.在一些可能的实施方式中，fpga与上位机连接；fpga，还被配置为确定tia芯片异常的次数大于预设阈值，通过fpga的第五输出端将报警信息发送至上位机，报警信息用于指示tia芯片已损坏。
10.在一些可能的实施方式中，tia芯片的第一电源输出端和第二电源输出端为第一电源值下的电源输出端。
11.在一些可能的实施方式中，tia芯片的检测装置还包括：第二采样电阻，第二采样电阻的第一端与tia芯片的第三电源输出端以及adc的第三输入端连接于第三节点，第二采样电阻的第二端与tia芯片的第四电源输出端以及adc的第四输入端连接于第四节点，tia
芯片的第三电源输出端和第四电源输出端为第二电源值下的电源输出端。
12.在一些可能的实施方式中，tia芯片的检测装置还包括：第三采样电阻，第三采样电阻的第一端与tia芯片的第五电源输出端以及adc的第五输入端连接于第五节点，第三采样电阻的第二端与tia芯片的第六电源输出端以及adc的第六输入端连接于第六节点，tia芯片的第五电源输出端和第六电源输出端为第三电源值下的电源输出端。
13.在一些可能的实施方式中，tia芯片的检测装置还包括多路复用器(multiplexer，mux)，mux分别与adc与fpga连接；mux，被配置为通过adc的第二输出端接收adc在第二电源值采样的第二电压值，通过adc的第三输出端接收adc在第三电源值采样的第三电压值，通过mux的第七输入端接收来自fpga的控制指令，并根据控制指令，通过mux的第四输出端将目标电压值输出至fpga，目标电压值与控制指令对应。
14.在一些可能的实施方式中，adc的第一输出端、第二输出端和第三输出端都为串行外设接口(serial peripheral interface，spi)。
15.第二方面，本技术提供一种光电接收装置，应用于激光雷达中，该光电接收装置包括：如第一方面及其任一可能的实施方式的tia芯片的检测装置。
16.第三方面，本技术提供一种激光雷达，该激光雷达包括：如第一方面及其任一可能的实施方式的tia芯片的检测装置。
17.本技术提供的技术方案与现有技术相比存在的有益效果是：
18.在本技术中，通过在tia芯片的检测装置中设置adc对tia芯片进行电压采样以及设置fpga对tia芯片进行异常检测，可以及时发现tia芯片异常，避免由于tia芯片异常而导致激光雷达测距结果出现错误，并且，fpga作为tia芯片中的主控器件，具有反应时间快的优点。
19.另外，异常检测功能、复位功能以及配置功能均配置于fpga中，因此tia芯片的检测装置不需要设置其他器件配置额外的信息传输及握手信号，使得该tia芯片的检测装置结构更简单，也更容易操作。
20.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术的保护范围。
附图说明
21.图1为相关技术中的一种激光雷达的结构示意图；
22.图2为本技术实施例中的tia芯片的检测装置的第一种结构示意图；
23.图3为本技术实施例中的tia芯片的检测装置的第二种结构示意图；
24.图4为本技术实施例中的tia芯片的检测装置的第三种结构示意图。
具体实施方式
25.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
26.为了说明本技术的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
27.激光雷达(light detection and ranging，lidar)是一种目标探测技术。激光雷达通过激光器发出激光光束，激光光束遇到目标物体后发生漫反射，通过探测器接收反射回的光束，并根据发射的光束和反射回的光束确定目标物体的距离、方位、高度、速度、姿态、形状等特征量。
28.激光雷达的应用领域非常广泛。除了运用在军事领域之外，目前还被广泛应用于生活领域，包括但不限于：智能驾驶车辆、智能驾驶飞机、三维(3d)打印、虚拟现实、增强现实、服务机器人等领域。以智能驾驶技术为例，在智能驾驶车辆中设置激光雷达，激光雷达可通过快速且重复地发射激光束来扫描周围环境，以获取反映周围环境中的一个或多个目标对象的形貌、位置、运动的点云数据等。
29.需要说明的是，上述智能驾驶技术可以指无人驾驶、自动驾驶、辅助驾驶等技术。
30.图1为相关技术中的一种激光雷达的结构示意图。如图1所示，激光雷达10可以包括：光发射装置101、光接收装置102和处理器103。其中，光发射装置101、光接收装置102均与处理器103连接。
31.其中，上述各器件之间的连接关系可以是电性连接，还可以是光纤连接。更具体的，在光发射装置101和光接收装置102中，还可能分别包括多个光学器件，这些光学器件之间的连接关系还可能是空间光传输连接。
32.处理器103用于实现对光发射装置101和光接收装置102的控制，以使光发射装置101和光接收装置102能够正常工作。示例性的，处理器103可以为光发射装置101和光接收装置102分别提供驱动电压，处理器103还可以为光发射装置101和光接收装置102提供控制信号。
33.示例性的，处理器103可以是通用处理器，如中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)等；处理器103还可以是数字信号处理器(digital signal processing，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
34.光发射装置101中还包括光源(图1未示出)。可以理解的，上述光源可以指激光器，激光器的数量可以是一个或者多个。可选的，激光器可以具体包括脉冲激光二极管(pulsed laser diode，pld)、半导体激光器、光纤激光器等。上述光源用于发射激光束。具体的，处理器103可以向光源发送发射控制信号，从而触发光源发射激光束。
35.可以理解的，上述激光束也可以称为激光脉冲、激光、发射光束等。
36.光接收装置102，一般采用光电二极管(如雪崩光电二极管(avalanche photo diode，apd)、硅光电倍增管(silicon photomultiplier，sipm)等)作为探测器，以接收回波光束，并进行光电转换。在实际应用中，激光雷达可以采用探测器阵列，以提高回波接收效率、改善性能。
37.激光雷达10还可以包括：一个或多个光束整形光学元件和光束扫描装置(图1未示出)。在一方面，光束整形光学元件和光束扫描装置将激光束朝向周围环境中的特定位置(如目标物体)聚焦和投射。在另一方面，光束扫描装置和一个或更多光束整形光学元件将返回波光束引导并聚焦到探测器上。在光束整形光学元件与目标物体之间的光路中采用光束扫描装置。光束扫描装置实际上扩展视场并增大激光雷达的视场内的采样密度。
38.下面结合图1所示的激光雷达的结构，简单描述激光雷达对被测物体104的探测过程。
39.参见图1所示，激光束沿发射方向进行传播，当激光束遇到被测物体104后，在被测物体104的表面发生反射，反射回的光束被激光雷达的光接收装置102接收。这里，可以将激光束被被测物体104反射回的光束称为回波光束(图1中激光束和回波光束采用实线标识)。
40.光接收装置102接收到回波光束后，对回波光束进行光电转换，即将回波光束转换为电信号，光接收装置102将回波光束对应的电信号输出至处理器103，处理器103可以根据回波光束的电信号，获取被测物体104的形貌、位置、运动的点云数据等。
41.在实际应用中，激光雷达的光电接收装置接收到反射回的回波光束，回波光束通过apd、sipm等，将光信号转变成电流信号，光电探测器将上述电流信号输出，tia芯片处理该电流信号，得到放大后的电压信号，放大后的电压信号容易被检测到。在当前的光电接收装置中，tia芯片是开环器件，没有相应的监控和保护装置，因此，当光电接收装置中的tia芯片异常时，后级的测距信息的计算会受到影响，导致最终的测距结果出现错误。例如，当大信号来临时，发生异常的tia芯片无法正常工作，后级电路仍会识别此信号为有效的小信号，造成最终的测距结果出现错误。因此，如何识别tia芯片的异常，是保障后级电路稳定输出测距结果所需要解决的问题。
42.为了解决上述问题，本技术实施例提供一种tia芯片的检测装置，该装置可以设置于上述激光雷达中。
43.那么，图2为本技术实施例中的tia芯片的检测装置的第一种结构示意图，参见图2所示，tia芯片的检测装置20可以包括：第一采样电阻22、用于对待检测的tia芯片21进行电压采样的模数转换器(analog to digital converter，简称adc)23、用于对tia芯片21进行异常检测的fpga24、复位接口25以及配置接口26；其中，第一采样电阻22分别与tia芯片21和adc23连接，具体地，tia芯片21的第一电源输出端与第一采样电阻22的第一端以及adc23的第一输入端连接于第一节点a1，tia芯片21的第二电源输出端与第一采样电阻22的第二端以及adc23的第二输入端连接于第二节点a2，adc23的第一输出端与fpga24连接，其中，tia芯片的第一电源输出端和第二电源输出端为第一电源值下的电源输出端。
44.在一种可能的实施方式中，fpga与adc的第一输出端连接；fpga，可以被配置为根据adc采样的第一电压值，计算tia芯片的第一电流值，并根据第一电流值，确定tia芯片是否异常。
45.可以理解的，fpga与adc连接于adc的第一输出端，fpga被配置为根据adc采集的tia芯片的电压值(即第一电压值)计算tia芯片的工作电流(即第一电流值)。
46.在一实施例中，tia芯片将光电探测器的电流信号转换为电压信号并放大后，将电压信号经过第一采样电阻处理后，adc通过第一输入端与第二输入端接收该电压信号，并将电压信号转换为数值信号(即对tia芯片进行电压采样)，adc进行电压采样后，通过adc的第一输出端将电压信号输出至fpga中，fpga根据上述电压信号计算出tia芯片的工作电流。其中，fpga计算tia芯片的工作电流的公式(1)如下：
[0047][0048]
式中，i为tia芯片的工作电流，vdd1为tia芯片的第一电源输出端的电压值，vdd2
为tia芯片的第二电源输出端的电压值，r1为第一采样电阻的阻值。
[0049]
其中，vdd1－vdd2是根据fpga的采样电压值以及tia芯片的电压放大倍数计算的，计算过程如公式(2)：
[0050][0051]
式中，v
current
为fpga的采样电压值，t为tia芯片的电压放大倍数。
[0052]
示例性的，tia芯片的第一电源输出端和第二电源输出端的第一电源值可以为1.8v，第一采样电阻的阻值可以为10ω，tia芯片的放大倍数可以为100。当然，根据不同的tia芯片的性能，第一采样电阻的阻值、tia芯片的放大倍数还可以为其他值，本技术实施例对此不做具体限定。
[0053]
在一种可能的实施方式中，tia芯片还可以包括复位接口，fpga通过复位接口与tia芯片连接；fpga，还可以被配置为当tia芯片的第一电流值大于预设电流值时，确定tia芯片异常，通过复位接口向tia芯片发送复位信号，复位信号用于指示tia芯片复位重启。
[0054]
可以理解的，参见图2所示，tia芯片21与fpga24通过复位接口25连接的。fpga24在计算出tia芯片21的工作电流后，判断tia芯片21的工作电流是否大于预设电流值(如100ma)，若tia芯片21的工作电流大于预设电流值，则表明tia芯片21发生故障，fpga24通过复位接口25向tia芯片21发送复位信号，tia芯片21接收到该复位信号后，进行复位重启；若tia芯片21的工作电流小于预设电流值，说明tia芯片21未发生故障。
[0055]
在一种可能的实施方式中，tia芯片还可以包括配置接口，fpga还可以被配置为在tia芯片异常之后，根据第一电流值，确定tia芯片是否异常；当tia芯片的第一电流值小于或者等于预设电流值时，述tia芯片发送配置信号，配置信号用于配置tia芯片。
[0056]
可以理解的，参见图2所示，tia芯片21还可以与fpga24通过配置接口26连接，fpga24被配置为在通过复位接口25向tia芯片21发送复位信号之后，tia芯片21接收到该复位信号后，进行复位重启，fpga24再通过配置接口26向tia芯片21发送配置信号，配置信号用于指示tia芯片21进行初始化配置。
[0057]
在一种可能的实施方式中，fpga与上位机连接；fpga，还可以被配置为确定tia芯片异常的次数大于预设阈值，通过fpga的第五输出端将报警信息发送至上位机，报警信息用于指示tia芯片已损坏。
[0058]
可以理解的，fpga还可以与上位机连接，fpga被配置为在确定tia芯片异常时，记录tia芯片的异常次数，具体来说，fpga第一次确定tia芯片异常时，计数为1，之后每确定一次tia芯片发生异常，都对计数值进行加1的操作，直至计数值大于预设阈值时，fpga通过第五输出端向上位机发送报警信息。需要说明的是，fpga在向上位机发送报警信息后，下一次确定tia芯片发生异常时，计数从1开始。
[0059]
在一些可能的实施方式中，tia芯片的检测装置中，可以使用一个采样电阻即可完成对tia芯片的异常检测，通常为了使得检测结果更加准确，还可以在tia芯片的检测装置中再设置至少一组采样电阻，以对tia芯片的其他电源电压进行采样，具体结构在下述本技术实施例中进行具体说明。
[0060]
在一种可能的实施方式中，tia芯片的检测装置还可以包括：第二采样电阻，第二采样电阻的第一端与tia芯片的第三电源输出端以及adc的第三输入端连接于第三节点，第
二采样电阻的第二端与tia芯片的第四电源输出端以及adc的第四输入端连接于第四节点，tia芯片的第三电源输出端和第四电源输出端为第二电源值下的电源输出端。
[0061]
可以理解的，图3为本技术实施例中的tia芯片的检测装置的第二种结构示意图，参见图3所示，tia芯片的检测装置20还可以包括第二采样电阻31，第二采样电阻31分别连接tia芯片21与adc23，具体地，tia芯片21的第三电源输出端与第二采样电阻22的第一端以及adc23的第三输入端连接于第三节点a3，tia芯片21的第四电源输出端与第二采样电阻22的第二端以及adc23的第四输入端连接于第四节点a4。
[0062]
示例性的，tia芯片的第三电源输出端和第四电源输出端的第二电源值可以为2.5v，当然，也可以为其他电源值，本技术实施例对此不作具体限定。
[0063]
在一种可能的实施方式中，tia芯片的检测装置还可以包括：第三采样电阻，第三采样电阻的第一端与tia芯片的第五电源输出端以及adc的第五输入端连接于第五节点，第三采样电阻的第二端与tia芯片的第六电源输出端以及adc的第六输入端连接于第六节点，tia芯片的第五电源输出端和第六电源输出端为第三电源值下的电源输出端。
[0064]
可以理解的，参见图3所示，tia芯片的检测装置20还包括第三采样电阻32，第三采样电阻32分别连接tia芯片21与adc23，具体地，tia芯片21的第五电源输出端与第三采样电阻32的第一端以及adc23的第五输入端连接于第五节点a3，tia芯片21的第六电源输出端与第三采样电阻32的第二端以及adc23的第六输入端连接于第六节点a6。
[0065]
示例性的，tia芯片的第五电源输出端和第六电源输出端的第三电源值可以为大电流泄放通道电压。
[0066]
需要说明的是，本公开实施例中的tia芯片可以包括但不限于上述的第一电源值对应的第一电源输出端和第二电源输出端、第二电源值对应的第三电源输出端和第四电源输出端和第三电源值对应的第五电源输出端和第六电源输出端，还可以包括其它不同电源值对应的电源输出端。进一步地，本公开实施例中的采样电阻也可以包括但不限于上述的第一采样电阻、第二采样电阻和第三采样电阻，还可以包括其它采样电阻，其中，不同的采样电阻对应不同的电源值。
[0067]
在一种可能的实施方式中，tia芯片的检测装置还可以包括mux，mux分别与adc和fpga连接；mux，可以被配置为通过adc的第二输出端接收adc在第二电源值采样的第二电压值，通过adc的第三输出端接收adc在第三电源值采样的第三电压值，通过mux的第七输入端接收来自fpga的控制指令，并根据控制指令，通过mux的第四输出端将目标电压值输出至fpga，目标电压值与控制指令对应。
[0068]
可以理解的，在包括三个采样电阻的tia芯片的检测装置中，还可以包括mux，图4为本技术实施例中的tia芯片的检测装置的第三种结构示意图，参见图4所示，adc23与fpga24之间还可以连接有mux41，mux41被配置为根据来自fpga的控制指令，将目标电压值输出至fpga24。具体地，adc23接收到第一采样电阻22的第一电压值、第二采样电阻31的第二电压值和第三采样电阻32的第三电压值之后，通过adc23的第一输出端将第一电压值输出至fpga24，通过adc23的第二输出端将第二电压值输出至mux41以及通过adc23的第三输出端将第三电压值输出至mux41，mux41根据来自fpga的控制指令，选择第二电压值和第三电压值中的一个或者多个输出至fpga24。
[0069]
需要说明的是，adc的第一输出端、第二输出端和第三输出端都为spi接口。
[0070]
示例性的，本技术实施例中的spi接口的时钟频率可以但不限于为20mhz，采样数据可以但不限于为16比特(bits)，采样一个光接收通道里的电压需要的时间可以但不限于为800ns，本技术实施例对此不作具体限定。
[0071]
下面以具体实例对上述tia芯片的检测装置的结构以及tia芯片的检测装置中的各器件的运行方式进行具体说明。
[0072]
在一实施例中，假设tia芯片的检测装置包括一个tia芯片，一个采样电阻，一个adc以及一个fpga，其中，tia芯片的第一电源值为1.8v，tia芯片的放大倍数为100，采样电阻的阻值为10ω，fpga的预设阈值为50，tia芯片发生异常的次数小于该预设阈值，预设电流值为100ma。下面将结合图2进行具体说明。
[0073]
示例性的，在tia芯片21工作的过程中，经tia芯片21放大的电压信号，经过第一采样电阻22(即第一电源值对应的采样电阻)，再由第一采样电阻22输入至adc23中，adc23对第一采样电阻22进行电压采样，并通过第一输出端将第一电压值输出至fpga24，fpga24根据公式(1)和公式(2)计算第一电压值对应的第一电流值(即tia芯片21的工作电流)。当fpga24确定第一电流值大于100ma时，fpga24确定tia芯片21异常，进一步地，fpga24确定tia芯片21发生异常的次数小于50，此时，fpga24通过复位接口25向tia芯片21发送复位信号，tia芯片21响应该复位信号，进行重启，待tia芯片21复位重启后，fpga24再通过配置接口26向tia芯片21发送配置信号，配置信号指示tia芯片重新进行配置。
[0074]
在另一实施例中，假设tia芯片的检测装置包括一个tia芯片，三个采样电阻，一个adc，一个mux以及一个fpga，其中，tia芯片的第一电源值为1.8v，第二电源值为2.5v，第三电源值为大电流泄放通道电压，tia芯片的放大倍数为100，三个采样电阻均为10ω，fpga的预设阈值为50，tia芯片发生异常的次数大于预设阈值，预设电流值为100ma。下面将结合图4进行具体说明。
[0075]
示例性的，在tia芯片21工作的过程中，经tia芯片21放大的电压信号，分别经过第一采样电阻22(即第一电源值对应的采样电阻)、第二采样电阻31(即第二电源值对应的采样电阻)以及第三采样电阻32(即第三电源值对应的采样电阻)，再通过三个采样电阻分别输入至adc23，adc23分别对第一采样电阻22、第二采样电阻31以及第三采样电阻32进行电压采样，并通过第一输出端将第一采样电阻22的第一电压值直接输出至fpga24，通过第二输出端和第三输出端分别将第二采样电阻31的第二电压值和第三采样电阻32的第三电压值输出至mux41。mux41根据fpga24的控制指令，选择向fpga24输出第二采样电阻31的第二电压值和第三采样电阻32的第三电压值。fpga24根据公式(1)和公式(2)分别计算第一电压值、第二电压值和第三电压值对应的第一电流值、第二电流值和第三电流值。当fpga24确定至少一个电流值大于100ma时，fpga24确定tia芯片21异常，进一步地，fpga24确定tia芯片21发生异常的次数大于50，此时，fpga24向上位机33发送报警信号，报警信号用于指示更换tia芯片21。
[0076]
在本技术实施例中，通过在tia芯片的检测装置中设置adc对tia芯片进行电压采样以及设置fpga对tia芯片进行异常检测，可以及时发现tia芯片异常，避免由于tia芯片异常而导致激光雷达测距结果出现错误，并且，fpga作为tia芯片中的主控器件，具有反应时间快的优点。
[0077]
另外，异常检测功能、复位功能以及配置功能均配置于fpga中，因此tia芯片的检
测装置不需要设置其他器件配置额外的信息传输及握手信号，使得该tia芯片的检测装置结构更简单，也更容易操作。
[0078]
基于相同的发明构思，本技术实施例提供一种光电接收装置，应用于激光雷达中，包括如上述一个或者多个实施例所述的tia芯片的检测装置。
[0079]
基于相同的发明构思，本技术实施例提供一种激光雷达，该激光雷达包括如上述一个或者多个实施例所述的tia芯片的检测装置。
[0080]
需要说明的是，tia芯片的检测装置中的fpga可以设置于激光雷达的光电接收装置中，也可以设置于激光雷达的处理器中。
[0081]
以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。