CN110764075B - 激光雷达接收芯片测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达接收芯片测试系统，包括MCU、激光发射器和待测的激光雷达接收芯片，还包括可选配的TDC芯片和DSP芯片；激光发射器用于向目标物体发射激光；激光雷达接收芯片至少包括感光器件，用于接收目标物体反射的光强信号，并转换为电信号；TDC芯片用于将收到的感光器件的信号转换为计数值；DSP芯片用于计算得到实际的激光飞行时间计数值；MCU制切换实现对激光雷达接收芯片内部的各模块进行功能测试，并将接收到的数据上传到计算机。本发明可以高效地测试激光雷达接收芯片内的关键模块的工作情况，清晰地掌握芯片工作的每个环节，避免一旦芯片无法工作或测试结果不理想而无从定位问题的情况，提高测试的效率。

Description

激光雷达接收芯片测试系统

技术领域

本发明涉及一种激光雷达接收芯片测试系统，属于集成电路芯片测试技术领域。

背景技术

在集成电路设计领域，芯片测试是芯片正式应用之前不可或缺的流程。在芯片测试上花费的人力、物力以及时间都会直接影响到芯片上市时间，而在测试的可靠性则会直接影响到芯片的使用价值和方向。

传统芯片功能测试中，往往都直接在输入端灌入特定输入，在输出端观察结果，判断芯片是否能正常工作，采用这种“一步到位”的测试方式。对于功能和应用场景单一或较少的芯片固然可行。但是一旦遇到功能复杂，对应用环境影响敏感，尤其像激光雷达这样的芯片，采用这些传统方式进行测试一旦芯片不工作或者测试结果不理想则需要花费大量时间和精力去定位问题。

发明内容

本发明的目的：

为解决激光雷达接收芯片测试效率和可靠性问题，本发明提供一种对激光雷达接收芯片的功能进行测试的测试系统，可以依次高效地测试芯片的每个关键模块的工作情况，清晰地掌握芯片的工作的每个环节，避免一旦芯片无法工作而无从定位问题的情况，提高测试效率；同时为功能不理想的芯片的应用提供规避和校正方案参考。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种激光雷达接收芯片测试系统，包括MCU、激光发射器和待测的激光雷达接收芯片，还包括可选配的TDC芯片和DSP芯片；

激光发射器用于向目标物体发射激光；

激光雷达接收芯片至少包括感光器件，用于接收目标物体反射的光强信号，并转换为电信号；

TDC芯片用于将收到的感光器件的信号转换为计数值；

DSP芯片用于计算得到实际的激光飞行时间计数值cnt；

MCU 通过I2C接口配置激光雷达接收芯片寄存器，控制切换实现对激光雷达接收芯片内部的各模块进行功能测试；并将接收到的数据上传到计算机。

进一步地，对感光器件功能测试时，由激光发射器向目标物体发射激光，感光器件接收到目标物体反射的光强信号转换为电信号，输出到TDC芯片，TDC芯片将转换后的记载距离信息的计数值输出至外部的DSP芯片，由DSP芯片经过直方图统计算法和移动平均算法处理得到实际的激光飞行时间计数值cnt和光强信息，并发送至MCU，经接口转换送入计算机。

进一步地，激光雷达接收芯片中还包括TDC模块，用于将收到的感光器件的信号转换为计数值。

进一步地，对感光器件和TDC模块功能测试时，由激光发射器向目标物体发射激光，感光器件接收到目标物体反射的光强信号转换为电信号，输出到TDC模块，TDC模块将转换后的记载距离信息的计数值输出至外部的DSP芯片，由DSP芯片经过直方图统计算法和移动平均算法处理得到实际的激光飞行时间TOF和光强信息，并发送至MCU，经接口转换送入计算机。

进一步地，激光雷达接收芯片中还包括DSP模块，用于计算得到实际的激光飞行时间计数值cnt；

所述DSP模块至少包括直方图统计算法模块。

进一步地，对感光器件、TDC模块及DSP模块中的直方图统计算法模块功能测试时，由激光发射器向目标物体发射激光，感光器件接收到目标物体反射的光强信号转换为电信号，输出到TDC模块，TDC模块将转换后的记载距离信息的计数值输出至DSP模块中的直方图统计算法模块，计算得到距离信息数据存储在激光雷达接收芯片的缓存中，并通过DVP接口输出至外部DSP芯片处理得到激光的飞行时间TOF和光强信息，发送至MCU，经接口转换送入计算机。

进一步地，MCU通过I2C接口配置激光雷达接收芯片内部的寄存器，通过mux选择器选择启用TDC模块和DSP模块中的直方图统计算法模块，旁路掉DSP模块中的其它模块。

进一步地，所述DSP模块至少还包括移动平均算法模块。

进一步地，对TDC模块和DSP模块功能测试时，由激光发射器向目标物体发射激光，感光器件接收到目标物体反射的光强信号转换为电信号，输出到TDC模块，TDC模块将转换后的记载距离信息的计数值输出至DSP模块中的直方图统计算法模块，计算得出计数值的分布情况，并存入缓存，移动平均算法模块将缓存中的直方图统计算法模块存入的数据读出并计算得到激光的飞行时间TOF和光强信息通过SPI接口输出，通过数字图像接口DCMI送入MCU，经接口转换送入计算机PC。

进一步地，由感光器件向激光发射器发出控制激光发射的开始信号和停止信号。

本发明所达到的有益效果：

本发明可以高效地测试激光雷达接收芯片内的几个关键模块的工作情况，可清晰地掌握芯片的工作的每个环节，避免一旦芯片无法工作或测试结果不理想而无从定位问题的情况，提高测试的效率。同时，中间模块的测试结果可为芯片的功能校正提供依据和参考。

附图说明

图1 是本设计的单点感光测试装置互联示意图；

图2 是本设计的面阵测试装置互联示意图；

图3是激光雷达接收芯片内部结构示意图；

图4是模式一的测试结果图；

图5是模式二的测试结果图；

图6是模式三的测试结果图；

图7是模式四的测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明是一个对激光雷达接收芯片的功能进行测试的测试系统。激光雷达接收芯片内部主要包括感光器件、TDC模块（时间数字转换模块）和DSP模块(数字信号处理模块)。待测模块指激光雷达接收芯片内部的感光器件、TDC模块和/或DSP模块，对选定的模块的功能进行测试，DSP模块又包括移动平均算法模块和直方图统计算法模块。

测试系统包括待测的激光雷达接收芯片（以下简称芯片）、MCU、FPGA实现的DSP芯片和激光发射器，还包括可选配的TDC芯片。

为区分激光雷达接收芯片内部与外部的DSP、TDC，位于激光雷达接收芯片内部的都对应命名为DSP模块、TDC模块，芯片外部的对应命名为DSP芯片、TDC芯片。

MCU 通过I2C接口配置芯片内部寄存器控制切换待测试模块。

激光雷达接收芯片采用DVP接口输出待测模块中间测试数据到FPGA实现的DSP模块；采用SPI_master接口输出完整待测模块最终测试数据到微控制器MCU，利用微控制器MCU上的USB接口输出到PC进行调试。

同时，通过DVP接口输出的中间测试数据，也能为芯片提供校正参数，使其工作在最佳状态。

本发明的系统采用若干种测试模式，分别对应测试相对应的激光雷达接收芯片中的关键模块。根据芯片数据流，采用自上而下分模块测试的方案。

方案芯片数据流如下：首先，芯片内的感光器件用于感应目标物体反射回来的光信号，将其转化为电信号（图1中输出的脉冲信号），该信号同时输出给TDC模块，TDC模块收到该信号后停止内部计数器计数，并输出12比特的计数值cnt。

理论上，该计数值乘以TDC时钟频率，然后除以2即为激光的飞行时间TOF（以下简称TOF），该值乘以光速就得到实际测试的距离。TOF计算公式如下：

(1)

上式中，

代表TDC模块的工作时钟频率，16代表TDC模块时钟的16个相位。

但是，由于感光器件和背景光及其他干扰的存在，需要进行多次测量，TDC模块也会输出多次测量结果的计数值。这些值大部分是背景光和噪声干扰的结果，DSP模块的作用就是从这些计数值中筛选出真正的计数值。TDC模块输出的12比特计数值输出给DSP模块，DSP模块首先利用直方图统计算法统计出计数值的分布情况。这个分布图中，同一个计数值出现的次数或者计数值集中的范围即反映出实际的计数值。基于这些数据，利用移动平均算法，可以确定这个实际的计数值cnt。

以图3所示的激光雷达接收芯片为例，图中箭头代表芯片数流方向。其中，锁相环用于产生TDC模块的工作时钟；感光器件时序控制单元用以控制感光器件的工作状态；帧时序控制单元用以控制DSP模块的工作状态；TDC模块用于将感光器件的信号转换为计数值，DSP模块（包括直方图统计算法模块和移动平均算法模块）用于确定真正的测量计数值cnt；I2C_slave接口用于桥接外部微控制器MCU配置内部寄存器；DVP接口和SPI_master接口用于将DSP模块的结果输出，其中DVP接口可根据寄存器配置选择是输出直方图统计的结果还是输出TDC模块的原始计数数据。

下面描述该系统的几种测试方式，几种测试方式的切换通过寄存器配置进行，用来测试芯片内部的不同模块功能。为简化说明，图示中只画出关键部分。

1)模式一：感光器件功能测试，参考图1示意图。

该模式中，测量一个目标物体的距离时，激光发射器向目标物体发射激光，同时激光发射器会给第三方的时间数字转换芯片（以下简称TDC芯片）一个脉冲，TDC芯片开始计数。芯片内的感光器件接收到目标物体反射回来的光强后，转换为电信号脉冲直接输出到TDC芯片，TDC芯片收到该脉冲信号后停止计数，并输出12比特的计数值（为确保正确性，该过程会重复若干次，因此会输出若干次结果）；这12比特的计数值进入数字信号处理芯片（以下简称DSP芯片，FPGA实现），经过直方图统计算法和移动平均算法处理得到真正的激光飞行时间计数值cnt和光强信息（其中光强信息通过直方图统计算法得到）。DSP芯片通过SPI接口输出到微控制器MCU（MCU有两个作用，1、配置寄存器；2、接口转换。此处只体现接口转换）经接口转换通过通用串行总线USB送入计算机PC分析。其中激光发射器向TDC芯片发出开始计数信号，感光器件向TDC芯片发送停止计数信号。该模式只测试芯片内部的感光器件，也就是将感光器件的输出信号直接接出给外部TDC芯片，最后结果都是由外部TDC芯片和DSP芯片处理得来。外部的TDC芯片和FPGA实现的DSP芯片认为是理想的，感光器件的测量结果的好坏体现在激光雷达芯片与目标物体之间的测量距离和测量精度上，测量距离越长、精度越高就说明性能越好。测试结果图如图4所示，图中，横坐标代表实际的距离，纵坐标代表测得的距离，差值表示实际测量值与理想值之间的误差。理想曲线代表的是预期值。测量曲线代表的是实际测得的值。

2)模式二：感光器件和TDC模块的测试，参考图2示意图。

在模式一的测试基础上，该模式测量上一模式下的同一目标物体的距离，通过I2C配置寄存器，通过图3中的选择器mux选择启用芯片内部TDC模块，旁路掉内部DSP模块，将经过TDC模块转换后的数据（这个数据由光强信息和激光飞行时间计数值cnt计算得来，因此是包含光强信息和激光飞行时间计数值cnt的）通过DVP接口输出至外部DSP芯片（FPGA实现）处理，经过直方图统计算法和移动平均算法处理得到激光的飞行时间TOF（可由激光飞行时间计数值cnt计算而得）和光强信息，通过数字图像接口DCMI送入微控制器MCU处理，经接口转换通过通用串行总线USB送入计算机PC分析。测量结果的好坏体现在激光雷达芯片与目标物体之间的测量距离和精度上，测量距离越长、精度越高就说明性能越好。该结果也会与上一模式的结果做对比，判断TDC的性能。测试结果图如图5所示，图中，横坐标代表实际的距离，纵坐标代表测得的距离，差值表示实际测量值与理想值之间的误差。理想曲线代表的是预期值。测量曲线代表的是实际测得的值。将图4和图5作比较，图5结果较图4多包含有TDC模块造成的影响，从差值的分布可以看出，图5的差值的波动比较大，这部分可以认为是TDC模块的原因造成的。差值波动越小说明TDC模块的功能的效果越好。后面每一种模式都只比前一个模式多一个待测试的功能模块，可以与前一种模式的结果做对比，即可判断当前模式下待测试模块功能的好坏。

3)模式三：感光器件、TDC模块及部分DSP模块功能测试，参考图2示意图。

在模式二的测试基础上，该模式测量上一模式下的同一目标物体的距离，通过I2C配置寄存器，通过图3中的mux选择器选择启用芯片内部TDC模块，旁路掉内部DSP模块的部分模块（即旁路掉移动平均算法模块，保留直方图统计算法模块）。内部TDC模块根据感光器件发送来的脉冲信号停止计数，并产生12比特的计数值，该计数值送入直方图统计算法模块计算统计得到距离信息数据，存储在激光雷达接收芯片的缓存中，缓存中的数据通过DVP接口输出至外部DSP芯片（FPGA实现）进一步处理得到激光的飞行时间TOF和光强信息，通过数字图像接口DCMI送入微控制器MCU处理，经接口转换通过通用串行总线USB送入计算机PC分析。测量结果的好坏体现在激光雷达芯片与目标物体之间的测量距离和精度上，测量距离越长、精度越高就说明性能越好。该结果也会与上一模式的结果做对比，判断DSP模块的直方图统计算法的性能。测试结果图如图6所示，图中，横坐标代表实际的距离，纵坐标代表测得的距离，差值表示实际测量值与理想值之间的误差。理想曲线代表的是预期值。测量曲线代表的是实际测得的值。同理，可将图5和图6作比较，图5的结果多包含了一个直方图统计算法模块，从差值的分布可以看出，图6的差值的波动比较大，这部分可以认为是直方图统计算法模块的原因造成的。差值波动越小说明直方图统计算法模块的功能的效果越好。

4）模式四：全芯片功能测试，参考图2示意图。

在模式三的测试基础上，该模式测量上一模式下的同一目标物体的距离，通过I2C配置内部寄存器，启用感光器件、芯片内部TDC模块和DSP模块的所有功能。感光器件接收反射回来的光，向内部TDC模块发出停止计数的脉冲信号，内部TDC模块收到脉冲信号后停止计数，并输出记载距离信息的计数值，这些计数值送入DSP模块，先通过直方图统计算法得出计数值的分布情况，并存入缓存，移动平均算法模块将缓存中的直方图统计算法模块存入的数据读出并计算得到实际的激光飞行时间TOF和光强信息，通过SPI接口输出，通过数字图像接口DCMI送入微控制器MCU处理，经接口转换通过通用串行总线USB送入计算机PC分析。测试结果图如图7所示，图中，横坐标代表实际的距离，纵坐标代表测得的距离，差值表示实际测量值与理想值之间的误差。理想曲线代表的是预期值。测量曲线代表的是实际测得的值。可将图7和图6作比较，图7结果多了一个移动平均算法模块，从差值的分布可以看出，图7和图6 测量值的波动差别不是很大，这是由于只增加的数字电路部分的功能受到环境的影响较小，所测得的结果和上一个模式的差别不大。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光雷达接收芯片测试系统，其特征是，包括MCU、激光发射器和待测的激光雷达接收芯片，还包括TDC芯片和DSP芯片；

激光发射器用于向目标物体发射激光；

激光雷达接收芯片至少包括感光器件，用于接收目标物体反射的光强信号，并转换为电信号；

TDC芯片用于将收到的感光器件的信号转换为计数值；

DSP芯片用于计算得到实际的激光飞行时间计数值cnt；

MCU 通过I2C接口配置激光雷达接收芯片寄存器，控制切换实现对激光雷达接收芯片内部的各模块进行功能测试；并将接收到的数据上传到计算机；

对感光器件功能测试时，由激光发射器向目标物体发射激光，感光器件接收到目标物体反射的光强信号转换为电信号，输出到TDC芯片，TDC芯片将转换后的记载距离信息的计数值输出至外部的DSP芯片，由DSP芯片经过直方图统计算法和移动平均算法处理得到实际的激光飞行时间计数值cnt和光强信息，并发送至MCU，经接口转换送入计算机。

2.根据权利要求1所述的激光雷达接收芯片测试系统，其特征是，激光雷达接收芯片中还包括TDC模块，用于将收到的感光器件的信号转换为计数值。

3.根据权利要求2所述的激光雷达接收芯片测试系统，其特征是，对感光器件和TDC模块功能测试时，由激光发射器向目标物体发射激光，感光器件接收到目标物体反射的光强信号转换为电信号，输出到TDC模块，TDC模块将转换后的记载距离信息的计数值输出至外部的DSP芯片，由DSP芯片经过直方图统计算法和移动平均算法处理得到实际的激光飞行时间TOF和光强信息，并发送至MCU，经接口转换送入计算机。

4.根据权利要求3所述的激光雷达接收芯片测试系统，其特征是，激光雷达接收芯片中还包括DSP模块，用于计算得到实际的激光飞行时间计数值cnt；

所述DSP模块至少包括直方图统计算法模块。

5.根据权利要求4所述的激光雷达接收芯片测试系统，其特征是，对感光器件、TDC模块及DSP模块中的直方图统计算法模块功能测试时，由激光发射器向目标物体发射激光，感光器件接收到目标物体反射的光强信号转换为电信号，输出到TDC模块，TDC模块将转换后的记载距离信息的计数值输出至DSP模块中的直方图统计算法模块，计算得到距离信息数据存储在激光雷达接收芯片的缓存中，并通过DVP接口输出至外部DSP芯片处理得到激光的飞行时间TOF和光强信息，发送至MCU，经接口转换送入计算机。

6.根据权利要求5所述的激光雷达接收芯片测试系统，其特征是，MCU通过I2C接口配置激光雷达接收芯片内部的寄存器，通过mux选择器选择启用TDC模块和DSP模块中的直方图统计算法模块，旁路掉DSP模块中的其它模块。

7.根据权利要求5所述的激光雷达接收芯片测试系统，其特征是，所述DSP模块至少还包括移动平均算法模块。

8.根据权利要求7所述的激光雷达接收芯片测试系统，其特征是，对TDC模块和DSP模块功能测试时，由激光发射器向目标物体发射激光，感光器件接收到目标物体反射的光强信号转换为电信号，输出到TDC模块，TDC模块将转换后的记载距离信息的计数值输出至DSP模块中的直方图统计算法模块，计算得出计数值的分布情况，并存入缓存，移动平均算法模块将缓存中的直方图统计算法模块存入的数据读出并计算得到激光的飞行时间TOF和光强信息通过SPI接口输出，通过数字图像接口DCMI送入MCU，经接口转换送入计算机PC。

9.根据权利要求1所述的激光雷达接收芯片测试系统，其特征是，由感光器件向激光发射器发出控制激光发射的开始信号和停止信号。

Images