当我们去考虑即将融入到现代汽车中的所有不同推荐电子产品时,驾驶时的安全性首当其冲。在今天的汽车中我们喜闻乐见的电子功能有很多,比如包括数字音响在内的豪华音响系统等,但在保护司机和乘客以及行人、其他汽车、司机和车外财物时,我希望近期能看到更多的专业电子技术。碰撞缓解系统可以拯救无数人的生命,防止人们受伤,确保更少的财产损失,还能使保险费持续下降。

虽然我们在走向自动驾驶汽车的道路上还没有做好技术准备,但我们近期在汽车中却能拥有安全电子产品。雷达、激光雷达和摄像机视觉集成在现代汽车中正变得越来越价格合理。

下面讨论一下在雷达和激光雷达系统方面,即将进入到现代汽车中的先进电子系统。我们先从TI公司最近刚刚发布的最新创新之一——面向汽车和工业应用的最新毫米波(mmWave)传感器开始。

先进驾驶辅助系统(ADAS)

今天的ADAS功能是由包括摄像机、雷达和激光雷达在内的一系列传感器技术实现的。设计人员现在可以高效地开发出诸多先进的安全功能,比如正面碰撞告警、盲区检测、行人检测和自动驾驶功能。摄像机被广泛用于物体识别,而采用射频电磁波的雷达则被用于测量距离。激光雷达使用激光束测量距离,也可以用于识别物体。扫描激光雷达系统可以用来检测道路上或道路旁的物体,并且能够填补使用雷达和摄像机时存在的已知盲区。

毫米波雷达

增强驾驶安全性从而避免事故发生要求我们检测车外物体的距离、速度和角度。理想情况下我们希望系统能够在雨、雾、灰尘、光亮和黑暗等恶劣环境条件下正常工作,而真正出彩的附加功能是能够穿透玻璃、塑料和其他材料的多样性检测能力,并且能够满足车内或车上的系统性能和布局要求。从我可以见到的当今技术来看,只有毫米波能够满足所有这些条件。

我对于行业内毫米波技术性能的快速改进感到非常乐观,因为在即将到来的5G通信标准中,毫米波也是一个关键需求。像波束控制等创新正是5G给毫米波带来的额外好处。

当然,毫米波技术已经推出来很长时间了,特别是在通信行业。然而,这种技术在汽车和工业领域应用还缺少一些关键的性能。对设计人员来说需要有更高的精度、更小的尺寸、更低的功耗和更快的上市时间。今天的毫米波技术很复杂,一个系统需要采用多芯片的解决方案,比如发射器、接收器、ADC/DAC、处理器和放大器。

TI公司毫米波雷达解决方案

TI正在开发一种单芯片的毫米波解决方案,工作在76-81GHz频谱,其射频电路、微控制器、DSP和接口都集成在一颗裸片上。这种解决方案中最值得称道的地方是,从一开始设计就考虑了汽车应用。我采访了TI公司雷达部门的总经理Sameer Wasson,他向我详细介绍了TI公司最新的IC系列产品。

实际上这是一个5芯片的产品组合,设计人员可以方便地从中选出适合他们系统架构的特定产品。当然,快速上市和鲁棒性的设计是必需的,TI在这方面从未落后:设计和开发工具也非常丰富,比如mmWave Studio软件、mmWave在线培训、单一软件开发套件/通用软件以及诸如评估板和参考设计等开发工具。

我从未停止过对IC设计人员能向低功耗、高性价比的微型CMOS芯片中集成什么感到惊讶。在本例中还是个很高频的IC。TI的Kilby Labs创新一直是业内电子设计人员的助推器。先进的混合信号电路、超低功耗的晶体管以及如此多的独创性使得这些IC在电路设计人员的手中熠熠生辉。

中长距雷达

第一款IC是用于中长距雷达的AWR1243射频芯片,可用于汽车紧急制动、自适应巡航控制和自动高速行驶。

接近传感

接下来是带射频和微控制器的AWR1443,用于实现乘员检测、人体传感器、车内手势识别和司机监视等应用中的接近传感。

超短距和短距雷达

最后还有包含射频、微控制器和DSP处理器的AWR1642,用于超短距和短距雷达。这样的应用包括盲区监视、车尾碰撞避免/告警、变道辅助、行人/自行车检测、碰撞避免、十字路口交通提醒、360º全景和停车辅助。这个IC可以检测以车辆为中心半径为100m范围内的环境。正是这种功能实现了自动驾驶。这个IC包含DSP、带CAN和CANFD的RAM,可以实现车辆周围精确的3D网格创建,从而实现不同的辅助和安全功能。

动态多模操作

通过在汽车系统中整合AWR1243、AWR1443和AWR1642,设计人员可以建立一个动态的多模操作系统,其中的传感器能够从餐车场景切换到高速行驶、低速操控和停车场景。传感机制必须随着行驶条件而改变——行驶条件从高速公路到城市道路或停车场是不同的。这些传感器能够每隔几毫秒进行重新配置,以适应这些不同的动态区域。这些传感模式从几毫米到几百米不等,以便适应静止物体或速度高达300km/h的移动物体(图1)。

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图1:这些IC解决方案可以帮助汽车行业的电子设计人员实现符合2级自动化及以上传感需求的雷达传感器。

ADI公司雷达解决方案

2017年2月,亚诺德半导体(ADI)公司发布了Drive360 28nm CMOS雷达技术平台。该平台所采用的成熟的ADAS、MEMS和雷达技术产品组合在过去20年中已被广泛用于整个汽车行业。

2017年4月,名为Renesas Autonomy的ADAS平台被推出。与此同时,ADI公司宣布与瑞萨公司合作开发一款系统级的77/79GHz雷达传感器演示装置,可用来改进ADAS应用。目前ADI公司已有一款24GHz的SiGe BiCMOS芯片组,但他们正在计划开发一种面向未来的7x GHz RF CMOS系统解决方案。“蛙跳游戏”将会继续。

激光雷达

最近我采访了ADI公司汽车安全部门的总经理Chris Jacobs。Jacobs告诉我,ADI解决方案在过去20年中利用其电子与传感器技术挽救了许多生命。该公司的惯性MEMS传感器被设计进了气囊技术(从1993年开始,和ADXL50 MEMS器件一起)和电子稳定性控制应用(图2)。

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图2:ADI公司如今在高性能MEMS、射频/毫米波以及光子/光学技术领域拥有核心竞争力。

在过去15年中,ADI公司的24GHz和77GHz汽车雷达战果辉煌,在2016年11月又收购了Vescent Photonics公司的固态激光束控制技术,因此在高性能MEMS、射频/毫米波(通过收购Hittite公司)以及光子/光学技术领域拥有核心竞争力。

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图3:雷达性能重要的原因。

带波束控制的ADI激光雷达

随着ADI公司收购Vescent Photonics公司的非机械式固态激光束控制技术,激光雷达系统变得更紧凑更具鲁棒性,并成为汽车中一个更加实惠的功能。

设计人员希望所实现的扫描系统能像司机的眼睛一样工作,使用智能自适应扫描技术完整地浏览感兴趣的窄/高分辨率区域,并模仿具有动态视野(FOV)的人类司机眼睛,进而优化数据总线的使用。

现在固态扫描系统无需活动的机械部件就能实现(图4)。

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图4:距离可达70m的电压可调模拟折射专利技术。

图4展示了二维液晶(LC)波导控制的波束架构的工作原理。电极可以做进波导平面内的棱镜中。为了控制光束,棱镜折射率可以以相对周围区域的折射率进行调整。在非正常界面,折射率可以通过Snell定律进行调整。

这种架构支持精密的实时映射,可用于先进的碰撞检测和自动驾驶应用。激光雷达可提供距离和物体识别数据,而成为传感器融合架构中的核心元件。激光雷达设计提供连续扫描,并且不会有盲点。

Velodyne公司的Velarray激光雷达传感器

Velodyne公司最近发布了一款小尺寸的Velarray激光雷达传感器。这种新器件可以嵌入自动驾驶汽车和ADAS系统,还可以与自适应巡航控制一起使用。

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图5:Velarray激光雷达传感器。

这种新的激光雷达传感器采用了Velodyne公司的专利ASIC(专用集成电路),可以以125×50×55mm的小封装尺寸提供高性能,可嵌入汽车的前面、侧面和各个角落(图6)。

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图6:Velodyne公司小型ASIC尺寸。

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图7:Velarray传感器功能。

这种传感器可以提供水平方向达120º和垂直方向达35º的视场角(FOV),即使是对低反射率的物体也能达到200m的探测距离。Velarray传感器可以达到汽车完整安全性等级ASIL B,支持L4和L5自动驾驶汽车和具有ADAS功能的汽车的安全操作。当大批量生产时,目标价格为数百美元。

巴塞罗纳国际汽车展

我想回顾一下在2017年5月举办的有趣的欧洲汽车展会——巴塞罗纳汽车展。这次展会突出了联网街区的概念——这个区域可以为活动参与者提供第一手机会,来测试在汽车领域中发展的最新技术。联网街区有四个主题:“自动驾驶”、“电子移动”、“联网汽车”以及“虚拟现实”。下面介绍其中的两个主题:

体验1:使驾驶变得更轻松

在这个环形线路上,参观者可以有15分钟的时间测试最新的前沿技术,包括:泊车辅助、紧急制动、信息娱乐、盲区信息系统和交通信号识别等。

体验2:电子移动

参观者可以在“联网影院”这个区域测试电动汽车,并参加投资自动驾驶系统的品牌公司提供的展示和音视频展览。

图10是1929年第一届巴塞罗纳汽车展上拍摄的老照片。该展会创建于1919年。

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图8:1929年举办的第一届巴塞罗纳汽车展。

参与联网街区试验的品牌公司有本田、现代、起亚、梅赛德斯奔驰、SEAT、Smart和丰田,合作方是Servei Català de Trànsit。

我确实还没有准备好坐进任何类型的自动驾驶交通工具——不管它是行驶在美国亚利桑那州沙漠或纽约城市道路上的汽车,还是在迪拜上空飞行的无人机,但我的下一辆汽车肯定要有全部的ADAS功能,而且最好还是辆电动汽车。

《电子技术设计》2017年8月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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