駕駛員輔助系統(tǒng)：新型雷達(dá)設(shè)計(jì)――分立抑或集成

Jeff Postupack和Sam Weinstein解釋集成雷達(dá)系統(tǒng)如何將高端技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型轎車

一名25歲的男性駕駛員正在查看他的智能手機(jī)，這時(shí)，擁堵的車流開(kāi)始移動(dòng)。就在他踩下油門時(shí)，前方車輛由于擁堵而急剎車。眼看就要發(fā)生碰撞，幸好車載雷達(dá)系統(tǒng)以迅雷不及掩耳之勢(shì)介入進(jìn)來(lái)，配有自動(dòng)停車起步功能的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)檢測(cè)到前方汽車在減速，為了保持預(yù)先設(shè)定的車距并避免碰撞，決定立即停車。

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自從安全氣囊成為標(biāo)準(zhǔn)安全配置以來(lái)的二十年間，汽車安全技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。以座椅安全帶、安全氣囊和碰撞檢測(cè)系統(tǒng)為代表的“被動(dòng)安全”，已發(fā)展為“主動(dòng)安全”——防抱死(ABS)、電子穩(wěn)定控制、自適應(yīng)懸架和舵角/側(cè)傾控制。最新階段是“駕駛員輔助”安全，包括自適應(yīng)巡航控制(ACC)、盲點(diǎn)檢測(cè)(BSD)和車道變換輔助(LCA)。這些系統(tǒng)漸漸開(kāi)始與車內(nèi)通信系統(tǒng)融合，使汽車更具自主性和智能性。

雷達(dá)是一項(xiàng)極具發(fā)展前途的駕駛員輔助技術(shù)。雷達(dá)系統(tǒng)能夠大大降低事故的發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度，特別是那些與駕駛員分心相關(guān)的事故。在許多國(guó)家，汽車安全立法促進(jìn)了行車安全，駕駛員死亡率降至歷史最低水平，同時(shí)推動(dòng)了智能汽車的發(fā)展。直到最近，雷達(dá)還僅限于在飛機(jī)和豪華車內(nèi)使用，但現(xiàn)在它已成為普通汽車所關(guān)注的技術(shù)。

設(shè)計(jì)人員將要面臨的挑戰(zhàn)是如何集成多種安全特性，同時(shí)滿足汽車工業(yè)苛刻的質(zhì)量和成本要求，這些目標(biāo)并不是注定要發(fā)生沖突。有史以來(lái)第一次，高集成度系統(tǒng)源源不斷地生產(chǎn)出來(lái)，它將自適應(yīng)巡航控制(ACC)和其它基于雷達(dá)的檢測(cè)與避碰應(yīng)用全都集成在一個(gè)只有智能手機(jī)大小的極小封裝中。片內(nèi)信號(hào)調(diào)理技術(shù)的進(jìn)步使得設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)不同的行車條件編寫(xiě)所需的設(shè)置，無(wú)論是城市道路行駛還是高速公路巡航，所有功能都通過(guò)一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的封裝實(shí)現(xiàn)。

因此，雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在需要做出選擇：使用分立器件還是使用集成解決方案。電子集成已在許多行業(yè)采用，如醫(yī)療成像、通信基礎(chǔ)設(shè)施、消費(fèi)電子設(shè)備等，現(xiàn)在終于輪到汽車?yán)走_(dá)領(lǐng)域。無(wú)論何種方案，設(shè)計(jì)人員都必須考慮其利弊。

尺寸和成本

雷達(dá)正從豪華車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備變?yōu)橹袡n車的選配設(shè)備，預(yù)計(jì)5年后會(huì)成為汽車普遍采用的一項(xiàng)安全特性。普及的速度將隨著廉價(jià)雷達(dá)的推出而加快，同時(shí)雷達(dá)的目標(biāo)分類將更完善，范圍分辨率將更高。模擬前端(AFE)的設(shè)計(jì)方法至關(guān)重要。

可以使用分立器件來(lái)構(gòu)建頂級(jí)定制解決方案，而且總有一些完美主義者希望優(yōu)化每一個(gè)參數(shù)。但是，采用分立器件構(gòu)建雷達(dá)系統(tǒng)需要花費(fèi)更多時(shí)間，占用更多空間，成本更高。集成IC能夠提供汽車制造商想要的大部分功能，甚至包括ACC和BSD等多種應(yīng)用，而其尺寸和成本只是分立解決方案的一個(gè)零頭。

現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)⑿盘?hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集電路全都集成在一片IC上。尺寸非常重要，因?yàn)槔走_(dá)傳感器模塊必須適合安裝在狹小區(qū)域，比如減震器后方，這些區(qū)域并不是為容納此類電子裝置而設(shè)計(jì)的。采用集成解決方案，安裝面積至少可以減少一半。集成器件具有高性價(jià)比，同時(shí)能夠提供雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所需的高性能水平。

您當(dāng)然可以親手構(gòu)建一個(gè)分立系統(tǒng)，使它正好完全符合需要，但成本可能高得嚇人，無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。集成解決方案意味著雷達(dá)系統(tǒng)能夠以更低的成本為更多的汽車所采用，從而在整體上提高所有車輛的安全性。

易用性

集成器件可以增加多項(xiàng)內(nèi)置創(chuàng)新特性，例如可編程增益和靈活的濾波器等。這些特性支持平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，不僅能加快首個(gè)系統(tǒng)的面市時(shí)間，而且能縮短所有采用同一平臺(tái)的后續(xù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

例如，濾波器需要根據(jù)不同的駕駛員安全應(yīng)用進(jìn)行精密調(diào)整。分立設(shè)計(jì)難以對(duì)濾波器重新編程，為了改變?yōu)V波特性，設(shè)計(jì)人員必須手動(dòng)調(diào)換電阻和電容。帶可調(diào)濾波器的集成器件則很容易解決這個(gè)問(wèn)題，所有調(diào)整都是通過(guò)串行端口對(duì)芯片重新編程來(lái)完成。這種調(diào)整甚至可以即時(shí)完成，允許設(shè)計(jì)人員快速地進(jìn)行多次調(diào)整，從而縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

同一芯片上的多個(gè)通道也有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，因?yàn)橥ǖ榔ヅ渚?，同時(shí)有利于駕駛員，因?yàn)閭鞲衅鞯臋z測(cè)范圍更寬。理想的雷達(dá)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到汽車周圍180度視角范圍內(nèi)的物體，就像人的視覺(jué)一樣。配有6個(gè)通道的接收系統(tǒng)可以做到這一點(diǎn)，而且角度分辨率更佳，因?yàn)樗芙邮崭嗟陌l(fā)射信號(hào)。這意味著目標(biāo)定位時(shí)間更加充裕，雷達(dá)解析目標(biāo)近似尺寸的能力更強(qiáng)。設(shè)計(jì)人員雖然可以采用分立器件來(lái)完成同樣的任務(wù)，但結(jié)構(gòu)可能比較臃腫。

最新的集成解決方案能夠根據(jù)距離的長(zhǎng)短自動(dòng)調(diào)整雷達(dá)傳感器的特性。在雷達(dá)信號(hào)反射回汽車時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須防止系統(tǒng)過(guò)載。如果目標(biāo)在汽車正前方，返回信號(hào)的幅度會(huì)非常高，必須予以衰減。如果目標(biāo)距離汽車120m遠(yuǎn)，返回信號(hào)將很弱，微處理器會(huì)不斷嘗試優(yōu)化信噪比，幫助識(shí)別目標(biāo)，確定它在視野中的位置，以及它與汽車相距多遠(yuǎn)。

許多此類功能都是通過(guò)可編程增益放大器實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員雖然可以使用分立PGA，但絕不會(huì)像通過(guò)與可編程濾波器相同的串行端口來(lái)控制的PGA那樣輕松和經(jīng)濟(jì)。

考慮到雷達(dá)系統(tǒng)要求的多變性，靈活性自然是集成解決方案的另一個(gè)誘人的亮點(diǎn)。高速公路ACC要求寬動(dòng)態(tài)范圍，而ACC自動(dòng)停車起步功能則要求較窄的范圍、更大的視野和更快的響應(yīng)時(shí)間，以便根據(jù)前方交通狀況迅速應(yīng)變。利用集成產(chǎn)品的用戶可編程設(shè)置，一個(gè)平臺(tái)就能在不同工作條件下提供增強(qiáng)的性能，適應(yīng)高速公路和嚴(yán)重?fù)頂D兩種行車狀況。

顯而易見(jiàn)，使用專用集成器件的平臺(tái)設(shè)計(jì)方法能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，縮小雷達(dá)系統(tǒng)的尺寸，更重要的是能夠讓更多廉價(jià)汽車更加安全。