當(dāng)我們?nèi)タ紤]即將融入到現(xiàn)代汽車中的所有不同推薦電子產(chǎn)品時(shí)，駕駛時(shí)的安全性首當(dāng)其沖。在今天的汽車中我們喜聞樂(lè)見(jiàn)的電子功能有很多，比如包括數(shù)字音響在內(nèi)的豪華音響系統(tǒng)等，但在保護(hù)司機(jī)和乘客以及行人、其他汽車、司機(jī)和車外財(cái)物時(shí)，我希望近期能看到更多的專業(yè)電子技術(shù)。碰撞緩解系統(tǒng)可以拯救無(wú)數(shù)人的生命，防止人們受傷，確保更少的財(cái)產(chǎn)損失，還能使保險(xiǎn)費(fèi)持續(xù)下降。

 

雖然我們?cè)谧呦蜃詣?dòng)駕駛汽車的道路上還沒(méi)有做好技術(shù)準(zhǔn)備，但我們近期在汽車中卻能擁有安全電子產(chǎn)品。雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像機(jī)視覺(jué)集成在現(xiàn)代汽車中正變得越來(lái)越價(jià)格合理。

 

下面討論一下在雷達(dá)和激光雷達(dá)系統(tǒng)方面，即將進(jìn)入到現(xiàn)代汽車中的先進(jìn)電子系統(tǒng)。我們先從TI公司最近剛剛發(fā)布的最新創(chuàng)新之一——面向汽車和工業(yè)應(yīng)用的最新毫米波（mmWave）傳感器開(kāi)始。

 

 

今天的ADAS功能是由包括攝像機(jī)、雷達(dá)和激光雷達(dá)在內(nèi)的一系列傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以高效地開(kāi)發(fā)出諸多先進(jìn)的安全功能，比如正面碰撞告警、盲區(qū)檢測(cè)、行人檢測(cè)和自動(dòng)駕駛功能。攝像機(jī)被廣泛用于物體識(shí)別，而采用射頻電磁波的雷達(dá)則被用于測(cè)量距離。激光雷達(dá)使用激光束測(cè)量距離，也可以用于識(shí)別物體。掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)可以用來(lái)檢測(cè)道路上或道路旁的物體，并且能夠填補(bǔ)使用雷達(dá)和攝像機(jī)時(shí)存在的已知盲區(qū)。

 

 

增強(qiáng)駕駛安全性從而避免事故發(fā)生要求我們檢測(cè)車外物體的距離、速度和角度。理想情況下我們希望系統(tǒng)能夠在雨、霧、灰塵、光亮和黑暗等惡劣環(huán)境條件下正常工作，而真正出彩的附加功能是能夠穿透玻璃、塑料和其他材料的多樣性檢測(cè)能力，并且能夠滿足車內(nèi)或車上的系統(tǒng)性能和布局要求。從我可以見(jiàn)到的當(dāng)今技術(shù)來(lái)看，只有毫米波能夠滿足所有這些條件。

 

我對(duì)于行業(yè)內(nèi)毫米波技術(shù)性能的快速改進(jìn)感到非常樂(lè)觀，因?yàn)樵诩磳⒌絹?lái)的5G通信標(biāo)準(zhǔn)中，毫米波也是一個(gè)關(guān)鍵需求。像波束控制等創(chuàng)新正是5G給毫米波帶來(lái)的額外好處。

 

當(dāng)然，毫米波技術(shù)已經(jīng)推出來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間了，特別是在通信行業(yè)。然而，這種技術(shù)在汽車和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用還缺少一些關(guān)鍵的性能。對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)需要有更高的精度、更小的尺寸、更低的功耗和更快的上市時(shí)間。今天的毫米波技術(shù)很復(fù)雜，一個(gè)系統(tǒng)需要采用多芯片的解決方案，比如發(fā)射器、接收器、ADC/DAC、處理器和放大器。

 

 

TI正在開(kāi)發(fā)一種單芯片的毫米波解決方案，工作在76-81GHz頻譜，其射頻電路、微控制器、DSP和接口都集成在一顆裸片上。這種解決方案中最值得稱道的地方是，從一開(kāi)始設(shè)計(jì)就考慮了汽車應(yīng)用。我采訪了TI公司雷達(dá)部門(mén)的總經(jīng)理Sameer Wasson，他向我詳細(xì)介紹了TI公司最新的IC系列產(chǎn)品。

 

實(shí)際上這是一個(gè)5芯片的產(chǎn)品組合，設(shè)計(jì)人員可以方便地從中選出適合他們系統(tǒng)架構(gòu)的特定產(chǎn)品。當(dāng)然，快速上市和魯棒性的設(shè)計(jì)是必需的，TI在這方面從未落后：設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具也非常豐富，比如mmWave Studio軟件、mmWave在線培訓(xùn)、單一軟件開(kāi)發(fā)套件/通用軟件以及諸如評(píng)估板和參考設(shè)計(jì)等開(kāi)發(fā)工具。

 

我從未停止過(guò)對(duì)IC設(shè)計(jì)人員能向低功耗、高性價(jià)比的微型CMOS芯片中集成什么感到驚訝。在本例中還是個(gè)很高頻的IC。TI的Kilby Labs創(chuàng)新一直是業(yè)內(nèi)電子設(shè)計(jì)人員的助推器。先進(jìn)的混合信號(hào)電路、超低功耗的晶體管以及如此多的獨(dú)創(chuàng)性使得這些IC在電路設(shè)計(jì)人員的手中熠熠生輝。

 

 

第一款I(lǐng)C是用于中長(zhǎng)距雷達(dá)的AWR1243射頻芯片，可用于汽車緊急制動(dòng)、自適應(yīng)巡航控制和自動(dòng)高速行駛。

 

 

接下來(lái)是帶射頻和微控制器的AWR1443，用于實(shí)現(xiàn)乘員檢測(cè)、人體傳感器、車內(nèi)手勢(shì)識(shí)別和司機(jī)監(jiān)視等應(yīng)用中的接近傳感。

 

 

最后還有包含射頻、微控制器和DSP處理器的AWR1642，用于超短距和短距雷達(dá)。這樣的應(yīng)用包括盲區(qū)監(jiān)視、車尾碰撞避免/告警、變道輔助、行人/自行車檢測(cè)、碰撞避免、十字路口交通提醒、360º全景和停車輔助。這個(gè)IC可以檢測(cè)以車輛為中心半徑為100m范圍內(nèi)的環(huán)境。正是這種功能實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛。這個(gè)IC包含DSP、帶CAN和CANFD的RAM，可以實(shí)現(xiàn)車輛周圍精確的3D網(wǎng)格創(chuàng)建，從而實(shí)現(xiàn)不同的輔助和安全功能。

 

 

通過(guò)在汽車系統(tǒng)中整合AWR1243、AWR1443和AWR1642，設(shè)計(jì)人員可以建立一個(gè)動(dòng)態(tài)的多模操作系統(tǒng)，其中的傳感器能夠從餐車場(chǎng)景切換到高速行駛、低速操控和停車場(chǎng)景。傳感機(jī)制必須隨著行駛條件而改變——行駛條件從高速公路到城市道路或停車場(chǎng)是不同的。這些傳感器能夠每隔幾毫秒進(jìn)行重新配置，以適應(yīng)這些不同的動(dòng)態(tài)區(qū)域。這些傳感模式從幾毫米到幾百米不等，以便適應(yīng)靜止物體或速度高達(dá)300km/h的移動(dòng)物體（圖1）。

 

圖1：這些IC解決方案可以幫助汽車行業(yè)的電子設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)符合2級(jí)自動(dòng)化及以上傳感需求的雷達(dá)傳感器。

 

 

2017年2月，亞諾德半導(dǎo)體（ADI）公司發(fā)布了Drive360 28nm CMOS雷達(dá)技術(shù)平臺(tái)。該平臺(tái)所采用的成熟的ADAS、MEMS和雷達(dá)技術(shù)產(chǎn)品組合在過(guò)去20年中已被廣泛用于整個(gè)汽車行業(yè)。

 

2017年4月，名為Renesas Autonomy的ADAS平臺(tái)被推出。與此同時(shí)，ADI公司宣布與瑞薩公司合作開(kāi)發(fā)一款系統(tǒng)級(jí)的77/79GHz雷達(dá)傳感器演示裝置，可用來(lái)改進(jìn)ADAS應(yīng)用。目前ADI公司已有一款24GHz的SiGe BiCMOS芯片組，但他們正在計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種面向未來(lái)的7x GHz RF CMOS系統(tǒng)解決方案。“蛙跳游戲”將會(huì)繼續(xù)。

 

 

最近我采訪了ADI公司汽車安全部門(mén)的總經(jīng)理Chris Jacobs。Jacobs告訴我，ADI解決方案在過(guò)去20年中利用其電子與傳感器技術(shù)挽救了許多生命。該公司的慣性MEMS傳感器被設(shè)計(jì)進(jìn)了氣囊技術(shù)（從1993年開(kāi)始，和ADXL50 MEMS器件一起）和電子穩(wěn)定性控制應(yīng)用（圖2）。

 

圖2：ADI公司如今在高性能MEMS、射頻/毫米波以及光子/光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域擁有核心競(jìng)爭(zhēng)力。

 

在過(guò)去15年中，ADI公司的24GHz和77GHz汽車?yán)走_(dá)戰(zhàn)果輝煌，在2016年11月又收購(gòu)了Vescent Photonics公司的固態(tài)激光束控制技術(shù)，因此在高性能MEMS、射頻/毫米波（通過(guò)收購(gòu)Hittite公司）以及光子/光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域擁有核心競(jìng)爭(zhēng)力。

 

圖3：雷達(dá)性能重要的原因。

 

 

隨著ADI公司收購(gòu)Vescent Photonics公司的非機(jī)械式固態(tài)激光束控制技術(shù)，激光雷達(dá)系統(tǒng)變得更緊湊更具魯棒性，并成為汽車中一個(gè)更加實(shí)惠的功能。

 

設(shè)計(jì)人員希望所實(shí)現(xiàn)的掃描系統(tǒng)能像司機(jī)的眼睛一樣工作，使用智能自適應(yīng)掃描技術(shù)完整地瀏覽感興趣的窄/高分辨率區(qū)域，并模仿具有動(dòng)態(tài)視野（FOV）的人類司機(jī)眼睛，進(jìn)而優(yōu)化數(shù)據(jù)總線的使用。

 

現(xiàn)在固態(tài)掃描系統(tǒng)無(wú)需活動(dòng)的機(jī)械部件就能實(shí)現(xiàn)（圖4）。

 

圖4：距離可達(dá)70m的電壓可調(diào)模擬折射專利技術(shù)。

 

圖4展示了二維液晶（LC）波導(dǎo)控制的波束架構(gòu)的工作原理。電極可以做進(jìn)波導(dǎo)平面內(nèi)的棱鏡中。為了控制光束，棱鏡折射率可以以相對(duì)周圍區(qū)域的折射率進(jìn)行調(diào)整。在非正常界面，折射率可以通過(guò)Snell定律進(jìn)行調(diào)整。

 

這種架構(gòu)支持精密的實(shí)時(shí)映射，可用于先進(jìn)的碰撞檢測(cè)和自動(dòng)駕駛應(yīng)用。激光雷達(dá)可提供距離和物體識(shí)別數(shù)據(jù)，而成為傳感器融合架構(gòu)中的核心元件。激光雷達(dá)設(shè)計(jì)提供連續(xù)掃描，并且不會(huì)有盲點(diǎn)。

 

 

Velodyne公司最近發(fā)布了一款小尺寸的Velarray激光雷達(dá)傳感器。這種新器件可以嵌入自動(dòng)駕駛汽車和ADAS系統(tǒng)，還可以與自適應(yīng)巡航控制一起使用。

 

圖5：Velarray激光雷達(dá)傳感器。

 

這種新的激光雷達(dá)傳感器采用了Velodyne公司的專利ASIC（專用集成電路），可以以125×50×55mm的小封裝尺寸提供高性能，可嵌入汽車的前面、側(cè)面和各個(gè)角落（圖6）。

 

圖6：Velodyne公司小型ASIC尺寸。

 

圖7：Velarray傳感器功能。

 

這種傳感器可以提供水平方向達(dá)120º和垂直方向達(dá)35º的視場(chǎng)角（FOV），即使是對(duì)低反射率的物體也能達(dá)到200m的探測(cè)距離。Velarray傳感器可以達(dá)到汽車完整安全性等級(jí)ASIL B，支持L4和L5自動(dòng)駕駛汽車和具有ADAS功能的汽車的安全操作。當(dāng)大批量生產(chǎn)時(shí)，目標(biāo)價(jià)格為數(shù)百美元。

 

 

我想回顧一下在2017年5月舉辦的有趣的歐洲汽車展會(huì)——巴塞羅納汽車展。這次展會(huì)突出了聯(lián)網(wǎng)街區(qū)的概念——這個(gè)區(qū)域可以為活動(dòng)參與者提供第一手機(jī)會(huì)，來(lái)測(cè)試在汽車領(lǐng)域中發(fā)展的最新技術(shù)。聯(lián)網(wǎng)街區(qū)有四個(gè)主題：“自動(dòng)駕駛”、“電子移動(dòng)”、“聯(lián)網(wǎng)汽車”以及“虛擬現(xiàn)實(shí)”。下面介紹其中的兩個(gè)主題：

 

 

在這個(gè)環(huán)形線路上，參觀者可以有15分鐘的時(shí)間測(cè)試最新的前沿技術(shù)，包括：泊車輔助、緊急制動(dòng)、信息娛樂(lè)、盲區(qū)信息系統(tǒng)和交通信號(hào)識(shí)別等。

 

 

參觀者可以在“聯(lián)網(wǎng)影院”這個(gè)區(qū)域測(cè)試電動(dòng)汽車，并參加投資自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的品牌公司提供的展示和音視頻展覽。

 

圖10是1929年第一屆巴塞羅納汽車展上拍攝的老照片。該展會(huì)創(chuàng)建于1919年。

 

圖8：1929年舉辦的第一屆巴塞羅納汽車展。

 

參與聯(lián)網(wǎng)街區(qū)試驗(yàn)的品牌公司有本田、現(xiàn)代、起亞、梅賽德斯奔馳、SEAT、Smart和豐田，合作方是Servei Català de Trànsit。

 

我確實(shí)還沒(méi)有準(zhǔn)備好坐進(jìn)任何類型的自動(dòng)駕駛交通工具——不管它是行駛在美國(guó)亞利桑那州沙漠或紐約城市道路上的汽車，還是在迪拜上空飛行的無(wú)人機(jī)，但我的下一輛汽車肯定要有全部的ADAS功能，而且最好還是輛電動(dòng)汽車。

 

本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。