Título da Tese: Readout Circuit for Time–Based Automotive Sensors

Autor: Rui Pedro Oliveira Machado

Orientadores: Jorge Miguel Nunes dos Santos Cabral; Luís Alexandre Machado Rocha (à memória de)

Programa Doutoral em Sistemas Avançados de Engenharia para a Indústria

Data: 24/07/2020

ABSTRACT: A pesquisa pelo veículo autónomo (AV) iniciou-se há já algumas décadas, com a introdução de vários sistemas inteligentes nos veículos do nosso quotidiano. O melhor exemplo deste tipo de sistemas são os Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS). As grandes marcas da indústria automóvel e principais Original Equipment Manufacturers (OEMs) estão focados no desenvolvimento do primeiro AV. O Light Detection And Ranging (LiDAR) é considerado como uma tecnologia chave para implementação do AV.

O sistema de leitura e medição do tempo de voo (Time-of-Flight – ToF) é um dos subsistemas constituintes do sensor LiDAR, e assume extrema importância. Os sistemas de medição de ToF de alto desempenho são normalmente implementados recorrendo ao desenho de células lógicas específicas e customizadas, o que leva a um aumento do tempo de desenvolvimento do sistema e, consequentemente, do custo. Estes tipos de sistemas apresentam desempenhos superiores aos necessários e o seu nível de integração é reduzido. O desenvolvimento de sistemas de medição de ToF capazes de serem completamente desenhados por linguagens de descrição de hardware (HDL) e implementados através de um fluxo de desenvolvimento totalmente automatizado permitirá alcançar maior portabilidade e níveis de integração.

O propósito desta tese é o desenvolvimento e implementação de uma arquitetura para um sistema de medição de ToF, capaz de facilitar o processo de migração destes sistemas entre tecnologias e plataformas. As arquiteturas existentes foram analisadas e foram implementadas e avaliadas múltiplas arquiteturas recorrendo a plataformas de prototipagem. Para assegurar um processo de migração fluído, as ferramentas de desenho de Application Specific Integrated Circuit (ASIC) foram estudadas. Como resultado, foi desenvolvido um sistema de medição de ToF para aplicações automóveis LiDAR e estabelecido um fluxo de desenvolvimento que suporta a migração automatizada de arquiteturas ToF.

O contributo da presente tese baseia-se no estudo sobre como devem ser desenhados e implementados os sistemas de medição de ToF para permitirem um fluxo de desenvolvimento automatizado e aumentar a sua portabilidade e integração, mantendo o desempenho necessário em aplicações automóveis LiDAR. A investigação iniciou-se com uma revisão do estado da arte em sistemas de medição de ToF, que culminou no desenvolvimento de duas arquiteturas em Field-Programmable Gate Array (FPGA) e na fabricação de um ASIC utilizando fluxo de desenvolvimento proposto baseado em Structured Data Path (SDP) para migrar arquiteturas de medição de ToF baseados em FPGA para tecnologia ASIC.

Palavras‑Chave: ASIC, FPGA, LiDAR, Tempo de voo, Time-to-Digital Converter (TDC)