創(chuàng)新IC助汽車遠(yuǎn)離車禍

在YouTube上有一段1959年的雪佛蘭貝萊爾與慢速行駛的2009年雪佛蘭邁銳寶相撞的精彩視頻。結(jié)果令人驚奇，邁寶銳外觀基本完好，而貝萊爾卻已分崩離析，車內(nèi)的碰撞用測(cè)試假人也慘遭不幸。顯然，在過(guò)去50年中，對(duì)于車禍中幸存相關(guān)技術(shù)的研究取得了很大的進(jìn)步。

誠(chéng)然，我們直到最近才開(kāi)始設(shè)計(jì)能夠避免各種碰撞的電子系統(tǒng)(即使司機(jī)沒(méi)有變得更加聰明)，例如基于激光雷達(dá)的自適應(yīng)速度控制和帶自動(dòng)牽引力控制功能的側(cè)翻感測(cè)。上述兩種系統(tǒng)的實(shí)例以及在電氣總線上如何實(shí)現(xiàn)更好的拋負(fù)載處理都清晰地表明了芯片設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)主動(dòng)汽車安全系統(tǒng)方面的思路。

自適應(yīng)速度控制

自適應(yīng)速度控制系統(tǒng)的工作原理非常類似于我們使用了數(shù)十年的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)：駕駛員通過(guò)汽車巡航控制功能設(shè)置好想要的車速，隨后汽車將保持這一車速，直到被人為中斷。兩者的區(qū)別表現(xiàn)在該車快要追上前一輛車速較慢的汽車之時(shí)。

在這種情況下，自適應(yīng)速度控制會(huì)把該車的速度降低到設(shè)置值之下，以匹配前輛汽車的速度，同時(shí)保持安全距離。為實(shí)現(xiàn)這種安全等級(jí)，光線檢測(cè)和距離檢測(cè)(激光雷達(dá))功能已經(jīng)從過(guò)去警察用來(lái)追捕超速車輛的工具發(fā)展成了子系統(tǒng)，這種子系統(tǒng)能夠檢測(cè)其它車輛的存在，并測(cè)量本車與這些車輛之間的距離。

激光雷達(dá)子系統(tǒng)可以使用連續(xù)波(CW)或脈沖信號(hào)。連續(xù)波系統(tǒng)使用接收器中的相位比較器來(lái)檢測(cè)發(fā)生相移的發(fā)射信號(hào)回波。相移指示了距離，而變化速率對(duì)應(yīng)著接近速度。

脈沖系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算短光脈沖的飛行時(shí)間(TOF)來(lái)判斷與前輛汽車的距離和接近速度。通常對(duì)于汽車應(yīng)用來(lái)說(shuō)，連續(xù)波系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本太高，因此大多數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)使用脈沖式激光。

這些系統(tǒng)的常用組件包括電源、電信號(hào)源、功率放大器、發(fā)射信號(hào)的發(fā)射器以及接收傳感器、放大器、信號(hào)調(diào)節(jié)器和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。通過(guò)ADC將接收到信號(hào)的數(shù)字化版本發(fā)送到緩沖存儲(chǔ)器，然后由DSP、FPGA或微控制器恢復(fù)出數(shù)據(jù)以進(jìn)行處理(圖1)。德州儀器(TI)使用的ADC能夠緩沖其自己的輸出，因而允許在DSP或FPGA分析處理來(lái)自前一脈沖的數(shù)據(jù)之時(shí)關(guān)閉IC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分。

圖1：在自適應(yīng)控制系統(tǒng)的激光雷達(dá)接收信號(hào)路徑中的關(guān)鍵模擬元件包含為ADC提供動(dòng)態(tài)范圍和信號(hào)調(diào)整的方法。

可適應(yīng)的汽車間距取決于激光輸出功率、光束寬度與排列方式、大氣特性(如大霧)、目標(biāo)反射性能和接收器的靈敏度。

雖然激光驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單，但接收器的設(shè)計(jì)有幾項(xiàng)關(guān)鍵要求。例如，接收電路設(shè)計(jì)工程師可能會(huì)使用三種檢測(cè)器中的任意一種：硅PIN檢測(cè)器(“PIN”指的是半導(dǎo)體堆棧，是由P類、其自身和N類材料組成的三明治結(jié)構(gòu))、硅雪崩光電二極管(APD)或(可能性不大的)光電倍增管。APD提供了高速、高靈敏度和高可靠性的最佳組合。

假設(shè)使用的是APD，那么接收器件將從前一輛車反射回來(lái)的光脈沖轉(zhuǎn)換成電流脈沖，再由跨阻放大器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖。這里需要做出另一項(xiàng)設(shè)計(jì)決策。理想的跨阻放大器應(yīng)該具有高增益、高輸入阻抗、超低電壓和電流噪聲以及低輸入電容。

在一個(gè)典型設(shè)計(jì)中，跨阻放大器的電壓輸出將被進(jìn)一步放大，并且在ADC將其數(shù)字化之前還要做進(jìn)一步的信號(hào)調(diào)節(jié)。為保證在不同車輛間距下的有效性，模擬前端(AFE)電路要求至少100dB的動(dòng)態(tài)范圍，這意味著需要使用某種可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)作為最后一級(jí)模擬電路。另一項(xiàng)設(shè)計(jì)決策要考慮ADC輸入是用差分還是單端形式，而這意味著在信號(hào)處理方式上信號(hào)鏈存在著可變性。

激光雷達(dá)接收器

TOF測(cè)量精度是影響車輛間距計(jì)算的最基本因素，它取決于激光點(diǎn)的脈沖寬度和ADC的速度與精度。在采樣率方面，假設(shè)光速為c，那么最小采樣率簡(jiǎn)單地計(jì)算為c除以要求的分辨率。

對(duì)于車用激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，距離測(cè)量的精度要求大約是±3英尺。在這個(gè)前提下，所測(cè)量的車間距離必須考慮激光點(diǎn)的來(lái)回，即所需的測(cè)量分辨率應(yīng)該是3英尺的兩倍，即6英尺。設(shè)光速c等于每秒3× 108米(9.84×108英尺/秒)，那么最小ADC采樣率必須等于(9.84×108)/6或163.9Msamples/s，這意味著采樣間隔在6.1ns的數(shù)量級(jí)。

針對(duì)這類應(yīng)用，TI的200Msample/s ADC08B200A ADC有一些有趣的特性，包括1kB的片上緩存。這款A(yù)DC還帶一個(gè)片上時(shí)鐘倍頻器，因此可以用低至25MHz的外部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)200Msamples/s采樣率。