當我們去考慮即將融入到現(xiàn)代汽車中的所有不同推薦電子產(chǎn)品時，駕駛時的安全性首當其沖。在今天的汽車中我們喜聞樂見的電子功能有很多，比如包括數(shù)字音響在內的豪華音響系統(tǒng)等，但在保護司機和乘客以及行人、其他汽車、司機和車外財物時，我希望近期能看到更多的專業(yè)電子技術。碰撞緩解系統(tǒng)可以拯救無數(shù)人的生命，防止人們受傷，確保更少的財產(chǎn)損失，還能使保險費持續(xù)下降。

 

雖然我們在走向自動駕駛汽車的道路上還沒有做好技術準備，但我們近期在汽車中卻能擁有安全電子產(chǎn)品。雷達、激光雷達和攝像機視覺集成在現(xiàn)代汽車中正變得越來越價格合理。

 

下面討論一下在雷達和激光雷達系統(tǒng)方面，即將進入到現(xiàn)代汽車中的先進電子系統(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)應用的最新毫米波（mmWave）傳感器開始。

 

 

今天的ADAS功能是由包括攝像機、雷達和激光雷達在內的一系列傳感器技術實現(xiàn)的。設計人員現(xiàn)在可以高效地開發(fā)出諸多先進的安全功能，比如正面碰撞告警、盲區(qū)檢測、行人檢測和自動駕駛功能。攝像機被廣泛用于物體識別，而采用射頻電磁波的雷達則被用于測量距離。激光雷達使用激光束測量距離，也可以用于識別物體。掃描激光雷達系統(tǒng)可以用來檢測道路上或道路旁的物體，并且能夠填補使用雷達和攝像機時存在的已知盲區(qū)。

 

 

增強駕駛安全性從而避免事故發(fā)生要求我們檢測車外物體的距離、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能力，并且能夠滿足車內或車上的系統(tǒng)性能和布局要求。從我可以見到的當今技術來看，只有毫米波能夠滿足所有這些條件。

 

我對于行業(yè)內毫米波技術性能的快速改進感到非常樂觀，因為在即將到來的5G通信標準中，毫米波也是一個關鍵需求。像波束控制等創(chuàng)新正是5G給毫米波帶來的額外好處。

 

當然，毫米波技術已經(jīng)推出來很長時間了，特別是在通信行業(yè)。然而，這種技術在汽車和工業(yè)領域應用還缺少一些關鍵的性能。對設計人員來說需要有更高的精度、更小的尺寸、更低的功耗和更快的上市時間。今天的毫米波技術很復雜，一個系統(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，從一開始設計就考慮了汽車應用。我采訪了TI公司雷達部門的總經(jīng)理Sameer Wasson，他向我詳細介紹了TI公司最新的IC系列產(chǎn)品。

 

實際上這是一個5芯片的產(chǎn)品組合，設計人員可以方便地從中選出適合他們系統(tǒng)架構的特定產(chǎn)品。當然，快速上市和魯棒性的設計是必需的，TI在這方面從未落后：設計和開發(fā)工具也非常豐富，比如mmWave Studio軟件、mmWave在線培訓、單一軟件開發(fā)套件/通用軟件以及諸如評估板和參考設計等開發(fā)工具。

 

我從未停止過對IC設計人員能向低功耗、高性價比的微型CMOS芯片中集成什么感到驚訝。在本例中還是個很高頻的IC。TI的Kilby Labs創(chuàng)新一直是業(yè)內電子設計人員的助推器。先進的混合信號電路、超低功耗的晶體管以及如此多的獨創(chuàng)性使得這些IC在電路設計人員的手中熠熠生輝。

 

 

第一款IC是用于中長距雷達的AWR1243射頻芯片，可用于汽車緊急制動、自適應巡航控制和自動高速行駛。

 

 

接下來是帶射頻和微控制器的AWR1443，用于實現(xiàn)乘員檢測、人體傳感器、車內手勢識別和司機監(jiān)視等應用中的接近傳感。

 

 

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。這樣的應用包括盲區(qū)監(jiān)視、車尾碰撞避免/告警、變道輔助、行人/自行車檢測、碰撞避免、十字路口交通提醒、360º全景和停車輔助。這個IC可以檢測以車輛為中心半徑為100m范圍內的環(huán)境。正是這種功能實現(xiàn)了自動駕駛。這個IC包含DSP、帶CAN和CANFD的RAM，可以實現(xiàn)車輛周圍精確的3D網(wǎng)格創(chuàng)建，從而實現(xiàn)不同的輔助和安全功能。

 

 

通過在汽車系統(tǒng)中整合AWR1243、AWR1443和AWR1642，設計人員可以建立一個動態(tài)的多模操作系統(tǒng)，其中的傳感器能夠從餐車場景切換到高速行駛、低速操控和停車場景。傳感機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是不同的。這些傳感器能夠每隔幾毫秒進行重新配置，以適應這些不同的動態(tài)區(qū)域。這些傳感模式從幾毫米到幾百米不等，以便適應靜止物體或速度高達300km/h的移動物體（圖1）。

 

圖1：這些IC解決方案可以幫助汽車行業(yè)的電子設計人員實現(xiàn)符合2級自動化及以上傳感需求的雷達傳感器。

 

 

2017年2月，亞諾德半導體（ADI）公司發(fā)布了Drive360 28nm CMOS雷達技術平臺。該平臺所采用的成熟的ADAS、MEMS和雷達技術產(chǎn)品組合在過去20年中已被廣泛用于整個汽車行業(yè)。

 

2017年4月，名為Renesas Autonomy的ADAS平臺被推出。與此同時，ADI公司宣布與瑞薩公司合作開發(fā)一款系統(tǒng)級的77/79GHz雷達傳感器演示裝置，可用來改進ADAS應用。目前ADI公司已有一款24GHz的SiGe BiCMOS芯片組，但他們正在計劃開發(fā)一種面向未來的7x GHz RF CMOS系統(tǒng)解決方案。“蛙跳游戲”將會繼續(xù)。

 

 

最近我采訪了ADI公司汽車安全部門的總經(jīng)理Chris Jacobs。Jacobs告訴我，ADI解決方案在過去20年中利用其電子與傳感器技術挽救了許多生命。該公司的慣性MEMS傳感器被設計進了氣囊技術（從1993年開始，和ADXL50 MEMS器件一起）和電子穩(wěn)定性控制應用（圖2）。

 

圖2：ADI公司如今在高性能MEMS、射頻/毫米波以及光子/光學技術領域擁有核心競爭力。

 

在過去15年中，ADI公司的24GHz和77GHz汽車雷達戰(zhàn)果輝煌，在2016年11月又收購了Vescent Photonics公司的固態(tài)激光束控制技術，因此在高性能MEMS、射頻/毫米波（通過收購Hittite公司）以及光子/光學技術領域擁有核心競爭力。

 

圖3：雷達性能重要的原因。

 

 

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

 

設計人員希望所實現(xiàn)的掃描系統(tǒng)能像司機的眼睛一樣工作，使用智能自適應掃描技術完整地瀏覽感興趣的窄/高分辨率區(qū)域，并模仿具有動態(tài)視野（FOV）的人類司機眼睛，進而優(yōu)化數(shù)據(jù)總線的使用。

 

現(xiàn)在固態(tài)掃描系統(tǒng)無需活動的機械部件就能實現(xiàn)（圖4）。

 

圖4：距離可達70m的電壓可調模擬折射專利技術。

 

圖4展示了二維液晶（LC）波導控制的波束架構的工作原理。電極可以做進波導平面內的棱鏡中。為了控制光束，棱鏡折射率可以以相對周圍區(qū)域的折射率進行調整。在非正常界面，折射率可以通過Snell定律進行調整。

 

這種架構支持精密的實時映射，可用于先進的碰撞檢測和自動駕駛應用。激光雷達可提供距離和物體識別數(shù)據(jù)，而成為傳感器融合架構中的核心元件。激光雷達設計提供連續(xù)掃描，并且不會有盲點。

 

 

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

 

圖5：Velarray激光雷達傳感器。

 

這種新的激光雷達傳感器采用了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、側面和各個角落（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120º和垂直方向達35º的視場角（FOV），即使是對低反射率的物體也能達到200m的探測距離。Velarray傳感器可以達到汽車完整安全性等級ASIL B，支持L4和L5自動駕駛汽車和具有ADAS功能的汽車的安全操作。當大批量生產(chǎn)時，目標價格為數(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——巴塞羅納汽車展。這次展會突出了聯(lián)網(wǎng)街區(qū)的概念——這個區(qū)域可以為活動參與者提供第一手機會，來測試在汽車領域中發(fā)展的最新技術。聯(lián)網(wǎng)街區(qū)有四個主題：“自動駕駛”、“電子移動”、“聯(lián)網(wǎng)汽車”以及“虛擬現(xiàn)實”。下面介紹其中的兩個主題：

 

 

在這個環(huán)形線路上，參觀者可以有15分鐘的時間測試最新的前沿技術，包括：泊車輔助、緊急制動、信息娛樂、盲區(qū)信息系統(tǒng)和交通信號識別等。

 

 

參觀者可以在“聯(lián)網(wǎng)影院”這個區(qū)域測試電動汽車，并參加投資自動駕駛系統(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。

 

我確實還沒有準備好坐進任何類型的自動駕駛交通工具——不管它是行駛在美國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人機，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汽車。

 

本文轉載自電子技術設計。