A FPGA based DAQ system for mobile robot use

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines "A FPGA based DAQ system for mobile robot use"; (FPGA basierendes Datenerfassungssystem für den Einsatz an mobilen Robotern). Obwohl dieses Gerät für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden kann, war das primäre Ziel ein Datenerfassungssystem für Ultraschallsensoren, welche auf einem mobilen Roboter befestigt sind. Um die Verwendbarkeit in einem weiten Bereich zu ermöglichen, wurde ein universeller Ansatz bei der Entwicklung des Hard- und Softwarekonzepts gewählt. Die Hauptanforderungen für eine Verwendung mit Ultraschallsensoren sind: Ein digital zu analog und vier analog zu digital Konverter mit präziser Zeitmessung um Ultraschallsignale senden und empfangen zu können, bei denen Pulskompressionsverfahren für hochauflösende Laufzeitmessungen zum Einsatz kommen. Durch diese hochauflösenden Laufzeitmessungen kann die 3D Position des reflektierenden Objekts berechnet werden. Die Verwendung mehrerer Kanäle erhöht dabei die Zuverlässigkeit des Systems. Anforderungen an das System sind: ein definierter und stabiler Phasengang, gleichzeitiges Abtasten auf allen Kanälen, geringes Kanalübersprechen, ein hoher Dynamikbereich (10Bit ADC) und hohe Abtastraten (>10MSPS). Um eine maximale Flexibilität des Systems zu erreichen, wurde ein FPGA mit "Softcore" und eine USB Schnittstelle verwendet. Durch den Einsatz des FPGA können rechenintensive Operationen in Hardware abgebildet werden, wodurch der Mikroprozessor entlastet wird. Die USB Schnittstelle ermöglicht eine einfache Verbindung mit einem PC und MATLAB. Der Prototyp welcher in dieser Arbeit entwickelt wurde, erlaubt es Datenraten von 400MBit/s pro Kanal zu verarbeiten, wodurch sich eine Systembandbreite von 1,6GBit/s ergibt. Durch die Verwendung von pinnkompatiblen Komponenten sind Datenraten bis zu 4,8GBit/s möglich.

Goal of this thesis was to develop a working prototype of an "A FPGA based DAQ system for mobile robot use". Such a device is suitable for a wide variety of applications although our primary target was a data acquisition (DAQ) system for an ultrasonic sensor mounted on a mobile robot. To assure applicability in a larger number of projects a more universal approach was chosen for the design of the hard- and software concept. The primary requirements for the ultrasonic sensors are: One digital to analog converter and four analog to digital converters, with precise timing to transmit and receive ultrasonic signals. These are further post processed using pulse compression methods for high resolution time-of-flight (ToF) measurements. Using such high resolution time-of-flight measurements the 3D position of a reflection point can be calculated. Additional channels can be used for enhancing the reliability of such a sensor. Desirable properties of such a DAQ system are: well defined and stable phase, synchronous sampling on all channels, low channel crosstalk, high input dynamic range (10Bit ADC) and a high sample rate >10MSPS). For maximum application flexibility a FPGA with a softcore and a USB interface was used. Using an FPGA allows implementation of computation expensive processes in Hardware offloading the MCU load. The USB interface allows easy connection to a PC running MATLAB. The prototype developed in this work allows data rates of 400MBit/s per channel resulting in a total system bandwidth of 1,6GBit/s. Using the same software in combination with pin-compatible components data rates up to 4,8GBit/s are feasible.