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當我們去考慮即將融入到現代汽車中的所有不同推薦電子產品時，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，比如包括數字音響在內的豪華音響系統等，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電子技術。碰撞緩解系統可以拯救無數人的生命，防止人們受傷，確保更少的財產損失，還能使保險費持續下降。

 

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品。雷達、激光雷達和攝像機視覺集成在現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方面，即將進入到現代汽車中的先進電子系統。我們先從TI公司最近剛剛發布的最新創新之一——面向汽車和工業應用的最新毫米波（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的。設計人員現在可以高效地開發出諸多先進的安全功能，比如正面碰撞告警、盲區檢測、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。

 

 

增強駕駛安全性從而避免事故發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能夠在雨、霧、灰塵、光亮和黑暗等惡劣環境條件下正常工作，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。像波束控制等創新正是5G給毫米波帶來的額外好處。

 

當然，毫米波技術已經推出來很長時間了，特別是在通信行業。然而，這種技術在汽車和工業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，一個系統需要采用多芯片的解決方案，比如發射器、接收器、ADC/DAC、處理器和放大器。

 

 

TI正在開發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理Sameer Wasson，他向我詳細介紹了TI公司最新的IC系列產品。

 

實際上這是一個5芯片的產品組合，設計人員可以方便地從中選出適合他們系統架構的特定產品。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：設計和開發工具也非常豐富，比如mmWave Studio軟件、mmWave在線培訓、單一軟件開發套件/通用軟件以及諸如評估板和參考設計等開發工具。

 

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創新一直是業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，用于實現乘員檢測、人體傳感器、車內手勢識別和司機監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監視、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范圍內的環境。正是這種功能實現了自動駕駛。這個IC包含DSP、帶CAN和CANFD的RAM，可以實現車輛周圍精確的3D網格創建，從而實現不同的輔助和安全功能。

 

 

通過在汽車系統中整合AWR1243、AWR1443和AWR1642，設計人員可以建立一個動態的多模操作系統，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區域。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的電子設計人員實現符合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和雷達技術產品組合在過去20年中已被廣泛用于整個汽車行業。

 

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一款系統級的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一種面向未來的7x GHz RF CMOS系統解決方案。“蛙跳游戲”將會繼續。

 

 

最近我采訪了ADI公司汽車安全部門的總經理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汽車雷達戰果輝煌，在2016年11月又收購了Vescent Photonics公司的固態激光束控制技術，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激光束控制技術，激光雷達系統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的掃描系統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/高分辨率區域，并模仿具有動態視野（FOV）的人類司機眼睛，進而優化數據總線的使用。

 

現在固態掃描系統無需活動的機械部件就能實現（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據，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掃描，并且不會有盲點。

 

 

Velodyne公司最近發布了一款小尺寸的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，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。當大批量生產時，目標價格為數百美元。

 

 

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。這次展會突出了聯網街區的概念——這個區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展的最新技術。聯網街區有四個主題：“自動駕駛”、“電子移動”、“聯網汽車”以及“虛擬現實”。下面介紹其中的兩個主題：

 

 

在這個環形線路上，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、盲區信息系統和交通信號識別等。

 

 

參觀者可以在“聯網影院”這個區域測試電動汽車，并參加投資自動駕駛系統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。該展會創建于1919年。

 

圖8：1929年舉辦的第一屆巴塞羅納汽車展。

 

參與聯網街區試驗的品牌公司有本田、現代、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。