無人自動駕駛車輛是室外移動機器人的一種，車上控制系統對車輛進行自主控制，實現無人駕駛。我們的車輛研究使用SICK公司的LMS291激光雷達作為主要的障礙物檢測傳感器，并同時用于車輛的激光導航。該激光雷達支持RS-232和RS-422串行通信，由于RS-232通信的最大速率為20k bps，無法滿足車輛實時檢測障礙物的需要。因此，在智能車輛上，采用RS-422傳輸激光雷達數據，傳輸速率為500K bps。
為滿足激光雷達和PC機的高速數據傳輸，現有的解決方案的實時性得不到保障，而且都不具備任何數據處理功能，而障礙物檢測功能應集成到底層硬件平臺上實現，萬一PC發生死機，車輛仍能自動避撞，保證了車輛系統的安全性和可靠性。因此，需要開發一套新的接口卡來實現這些功能。
1 接口卡研制目標和總體方案
針對激光雷達在智能車輛上的應用要求，我們對接口卡的功能提出了如下目標：
（1）激光雷達數據采集功能。通過RS-422與LMS291激光雷達進行通信，通信速率為500k bps；可實時獲取激光雷達數據；可配置激光雷達參數。
（2）數據傳輸功能。通過CAN總線將采集的激光雷達數據送往上位機PC。
（3）障礙物檢測功能。通過系統對激光雷達數據的處理，獲取障礙物檢測參數，通過I/O，直接發送緊急停車命令給底層控制器，緊急剎車。
根據系統要求，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、資源豐富、有片上CAN控制器等。LF2407A采用哈佛總線結構，具有16位高性能的CPU，時鐘頻率為40MHZ并支持軟件改變鎖相環的頻率，在智能控制和通信中得到廣泛應用。500)this.style.width=500;" border=0>
2 系統硬件設計
2.1 RS-422通信接口設計
RS-422A通信接口標準是EIA公布的“非平衡電壓數字接口電路的電氣特性“標準，它采用非平衡發送器和差分接收器，電平變化范圍為12V，通信速率最大10Mbit/s(120m通信距離內），通信速率最小90Kbit/s(1200m通信距離)。
由于本系統要適應高速大流量數據通信，且要實現數據處理功能。為了保證數據傳輸的實時性和可靠性，我們選用TI 公司的UART產品TL16C752B。它是一個超前的解決方案，提供了兩路相互獨立的異步收發器，具有64字節的發送和接收FIFO 存儲器，這樣服務間隔時間就增加了，使外部CPU 有多余時間處理其他的應用，減少了整個UART 的中斷服務時間。
本系統將TL16C752B配置在LF2407A的I/O空間，TL16C752B還提供了2個中斷請求信號分別用于通道A和B申請LF2407A中斷，復用LF2407A的外部中斷XINT1.
2.2 CAN通信接口設計
CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS。CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作。
本系統使用的DSP芯片已集成了片內CAN控制器，收發器采用德州儀器公司生產的SN65HVD230 CAN總線收發器，主要是與帶有CAN控制器的TMS320Lx240x系列DSP配套使用，該收發器具有差分收發能力，最高速率可達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控制引腳來實現。
3 系統軟件設計
軟件設計的第一步是初始化，包括系統初始化、異步串口和CAN初始化等。然后是主體部分即UART和CAN的通信以及數據處理等。主體部分程序主要由三大塊組成：激光雷達配置模塊、UART和CAN通信模塊、車體避撞模塊。
3.1 激光雷達配置模塊
PC與激光雷達之間通過固定的數據格式進行通信，配置激光雷達的流程如下：
(1) 首先打開串口，初始化, 等待激光雷達返回開機初始化的應答數據。
(2) 使用默認的密碼“SICK_LMS”，改變操作模式為“安裝模式”, 并等待雷達應答數據的返回。
(3) 配置激光雷達和UART串口的速率。先將激光雷達波特率改為500K，等到返回修改成功的應答數據后，再將UART串口的波特率也改為500K。
(4) 設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) 請求激光雷達的配置數據，目的是獲得一些參數的值，放到數組中，然后修改部分參數的值，并用命令77h將參數寫到激光雷達中。
(6) 切換到監控模式，獲得激光雷達連續掃描數據。
此后雷達便開始以26.6毫秒的周期將測量數據以500Kbps的通信速率發送給接口卡。
3.2 UART和CAN通信模塊
UART采用中斷方式接收激光雷達發送過來的數據，因為數據傳輸速率為500Kbps，接收中斷非常頻繁，中斷程序過于復雜會延誤后續的數據處理，所以整個中斷程序非常簡短，不超過20條指令。當主程序檢測到UART接收到一楨數據后，就將數據寫入CAN郵箱4和5，通過CAN發送給PC機。同時，CAN通信采用中斷接收PC機發送過來的數據，再通過UART發送給激光雷達。
3.3 車體避撞模塊
車輛在自動駕駛時需要實時檢測車前方一定范圍內的障礙物，一旦發現有障礙物就必須控制車輛緊急制動以免發生事故，這個障礙物檢測是由安裝在車前部的激光雷達完成的。
當UART接收到激光雷達一楨數據732個字節后，進行CRC校驗，數據校驗無誤后，去掉楨頭和楨尾，將距離數據的高位字節和低位字節合并，然后存放在數組Laser_Range[361]里。智能車輛的寬度為1.4米，我們設置了一個障礙物檢測區域，是以激光雷達為中心的一個2×2米的方形區域，只要在這個區域內有障礙物我們就認為車的前方有障礙物，需要緊急制動。一楨激光雷達數據是361個距離值，在判斷時將這361個數據分為三個部分，三個區域內的數據分別有各自的判斷條件，條件如果成立則認為該區域內有障礙物。當檢測完361個數據以后，如果沒發現障礙物則認為是安全的，如果發現了障礙物則認為有危險，這時直接通過I/O發送命令給底層控制器讓車輛緊急剎車。
4 試驗結果
本文對上述接口卡進行了試驗驗證。試驗平臺為上海交通大學研制的無人自動駕駛車輛，測距傳感器為LMS291激光雷達，安裝在車輛前方。在車載筆記本電腦的VC++平臺上對CAN接口進行配置，接收激光雷達在500kbps下發送的連續數據，對每一個測量的距離數據用一個小圓圈表示，在實驗室外的車道上進行了實際演示，結果如下
隨著前方障礙物的變化，圖像會實時地跟著變化。由于采集速率高，激光雷達數據完全沒有丟失。數據傳輸實時性也很好，筆記本電腦接收激光雷達一楨732個字節數據的時間為27.2毫秒，比激光雷達實際的時間周期只延遲了0.6毫秒，達到了車輛精確定位導航算法的要求。
5 結論
本文針對無人自動駕駛車輛的激光雷達避撞和導航的要求，設計了基于DSP的激光雷達智能接口卡，對PC機中獲得的數據進行檢驗的結果表明，數據傳輸的實時性和可靠性都很好。而且根據車輛實際演示的效果來看，避撞很可靠。
本文創新點：1. 本文設計的接口卡采用處理速度較高的DSP系統和外擴高速UART TL16C152B，使得接口卡采集數據的速度能夠達到500Kbps，目前市場上的接口卡一般都不能達到這一速度要求。2. 由于采用了高速的DSP系統，所以在數據采集傳輸的同時，還可以進行數據處理實現車輛的自動避撞。3. 本文的接口卡和上位機接口選擇了CAN總線傳輸，使得數據傳輸的實時性很高，試驗數據表明一楨732個字節的數據只延遲了0.6毫秒，滿足了筆記本電腦進行精確定位導航算法的要求。此接口卡已成功應用在上海交通大學研制的無人自動駕駛車輛上，取得了良好的效果。