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汽车主动安全性采用嵌入式雷达技术的实现

作者:不爱吃窝瓜时间:2015-09-14

另一方面,当全球汽车行业正在为车辆事故“零死亡率”的目标努力时,消费者需求和政府立法也在驱动着汽车安全标准的改进,主动型和预测型防碰撞安全系统在现代汽车中越来越盛行起来。例如,高级驾驶员辅助系统(ADAS)的增值功能——电子稳定控制系统和后视摄像头,以及基于视觉的行人检测系统等——正随着微控制器和传感器技术的进步而变得可能。此外,基于雷达技术的增强型嵌入式解决方案也可为ADAS设计人员提供互补的安全特性。

全新的雷达技术解决方案

随着全球各国陆续近期出台的标准和法规,越来越多的ADAS系统有望在未来成为政府强制要求安装的车辆配置系统,如车辆的后视摄像头和面向商用车的高级紧急制动辅助系统(AEBS)等。基于雷达技术的汽车安全系统可实现盲点和侧面碰撞检测,以及中远距离的正面雷达探测等,以实现自适应巡航控制功能。

以飞思卡尔推出的嵌入式微控制器和专门面向雷达应用的77GHz毫米波集成式电路为例,该典型雷达模块由发射解决方案(Tx)、电压控制振荡器(VCO)、三通道接收器IC(Rx)及微控制器(MCU)组成。芯片通过约38 GHz的本地振荡器(LO)信号连接,通过串行外设接口(SPI)总线可独立控制每个芯片。主控制器和调制主机是一款带有集成式高速模数转换器(ADCs)的单个微控制器,并具备适当信号处理功能,如快速傅立叶转换(FFT)。

凭借Qorivva MPC577xK MCU和MRD2001 77GHz雷达收发器芯片组,飞思卡尔推出了新一代基于嵌入式雷达的产品。该雷达收发器芯片组由一个VCO(MRD2001VC)、一个2通道Tx发射器(MRD2001TX)和一个3通道RX接收器(MRD2001RX)组成,这些新产品为汽车设计提供了完整的嵌入式雷达系统。同时,该雷达技术解决方案进一步完善了现有的高性能ADAS系统,例如,在嵌入式摄像头/视频产品方面——飞思卡尔SCP220x图像认知处理器(ICP)系列和Qorivva MPC5604E MCU——专为高级视觉处理而设计,用于车辆和行人检测,可满足汽车制造商对ADAS解决方案更高的性能要求。

先进的系统集成性能

当前许多雷达系统都基于Qorivva MPC5675K MCU——包括外部FPGA、ADC、DAC、SRAM和用于发射和接收的模拟前端。而全新的MPC577xK MCU可在单一芯片解决方案中支持经济高效的雷达系统,同时进一步提升系统的性能。

MPC577xK系列在单一356 BGA封装中提供高水平的数字和模拟集成,无需外部FPGA、ADC、DAC和SRAM,实现了更佳的成本优势,减少了所需组件的数量、PCB尺寸和软件复杂性。

 

 

图1:雷达芯片组演变

除了两个266 MHz e200z7处理内核,MPC577xK MCU还采用了一个最先进的信号处理工具箱(SPT),包含处理短、中和长距离雷达应用采样信号所需的硬件模块。SPT是一款强大的处理引擎,通过特定命令驱动的指令集驱动高性能信号处理操作。其可编程性可确保在频繁的硬件任务调度中移除CPU时,仍可保持灵活性,控制处理流程并与其互动。系统优势还包括:易于使用的MCU,带有集成式FFT加速器;大密度存储器支持可扩展的雷达应用;支持开环和锁相环系统,实现设计的灵活性;可控的功耗,可提高效率;帮助系统制造商满足功能安全ISO 26262 ASIL-D目标。

在安全特性方面,作为飞思卡尔SafeAssure项目的一部分,MCP577xK MCU采用两个高性能功率Architecture e200z7内核,以实现信号处理,并可帮助汽车制造商实现最低的ISO 26262汽车安全完整性等级-B(ASIL-B)。除了满足汽车功能安全应用的要求,锁步配置中采用了两个e200z4内核,专门为满足决策和关键安全需求而设计,可帮助实现ISO 26262 ASIL-D认证。

另外,MCP577xK MCU还具有一些其它的关键安全特性,如在线逻辑内置自检(LBIST)、存储器内置自检(MBIST)、端到端纠错码(ECC)、时钟和发电监视器和故障处理模块等,可帮助客户获得ASIL-D认证。

 


图2:Qorivva MPC577xK MCU框图

高性能且可扩展至多通道

MRD2001 77GHz雷达收发器芯片组是面向汽车雷达模块的可扩展、高性能三封装解决方案。该芯片组由一个VCO、一个2通道Tx发射器和一个3通道RX接收器组成。这三部分都采用500um间距、6mmx6mm扇出型晶圆级封装。该封装技术是77GHz雷达应用的理想选择,因其在频率高达100GHz时,具有极低的插损和寄生效应。另外,由于无需为裸片采用芯片和布线装配技术,因此经过封装的芯片组简化了最终用户的雷达模块装配。芯片组可以随时扩展至4个TX信道和12个RX信道,使单一的雷达平台能够在宽视域内控制电子束,支持低中高及豪华汽车的长距离、中距离和短距离雷达应用。

与此同时,系统可扩展至4个TX通道和12个RX通道,都有激活通道,可使单个平台在更宽的探测区域内实现电子束控制;高级封装技术可确保用户PCB上的最高性能和最低信号干扰;低功耗,完整功能的收发器典型功耗为2.5W;支持100MHz/100ns的快速调制;在1MHz偏移时,具备小于-93dBc/Hz的最佳相位噪声,用于改进目标分离;集成式基带滤波器和VGA可节省系统物料成本;38GHz本地振荡器可减少电路损耗并降低系统干扰;发射器芯片上的双相调制器可拒绝寄生信号。

MRD2001雷达收发器芯片组采用高级封装技术,可提供优异的热性能和电气性能。该封装符合严格的汽车标准,包括焊点可靠性、深部温度和湿度循环,以及EMC性能,并面向主要供应商,符合减少有害物质(RoHS)标准。

 


图3:MRD2001 77 GHz雷达收发器芯片组

支持开环雷达系统设计

MPC577xK MCU和MRD2001 77GHz雷达收发器芯片组专门为支持开环雷达系统而设计。在该系统中,锁相环无需产生线性调频信号(FMCW调制),因而可以降低系统的总功耗。

开环概念一般与快速线性调频信号FMCW调制结合使用,调频时间在10us至100us范围内。由于完整的雷达图像可被更快速地捕捉,快速线性调频信号系统可降低占空比,并改进雷达系统的SNR.高基带频率的潜在劣势是会促使所需的ADC采用更高的模拟带宽和采样率。MPC577xK MCU克服了这一潜在问题,因为它集成了高达8个-ADC,并带有5MHz带宽和320 MHz的内部采样时钟。

在开环雷达系统中,MCU是带有数模转换器(DAC)的线性调频信号主机,为VCO提供调谐电压。根据调谐电压,VCO可生成高频信号(LO),驱动不同的接收器和发射器芯片。

在常规运行期间,系统发射线性调频信号,并接收反射信号。与发射器组合的接收器作为零差系统,使接收信号直接降频至基带中。然后,基带信号被过滤并放大(接收器芯片含有滤波器和可变增益放大器),并输送到MPC577xK MCU的-ADC中。通过将基带信号转变成数字域、使用数字波束形成方法、采用FFT和跟踪算法,可根据距离、速度和角位置来识别目标。

随着全球主流汽车厂商对主动和预测安全系统的需求增加,半导体供应商需要不断进行创新。新的解决方案必须使系统供应商和OEM厂商不仅能够根据成本,而且还可以根据规格来优化当今雷达系统的物料成本。除了中远距离的正面雷达之外,制造商还需要结合可检测盲点和侧面碰撞的雷达系统。最新的基于雷达技术的解决方案将为新一代ADAS系统的开发人员提供独特的功能支持,帮助他们不仅能够符合最新的行业监管标准,而且还可以更好地保障人员生命和财产的安全。


关键词: 汽车 嵌入式 雷达

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