创新IC助汽车远离车祸

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在YouTube上有一段1959年的雪佛兰贝莱尔与慢速行驶的2009年雪佛兰迈锐宝相撞的精彩视频。结果令人惊奇,迈宝锐外观基本完好,而贝莱尔却已分崩离析,车内的碰撞用测试假人也惨遭不幸。显然,在过去50年中,对于车祸中幸存相关技术的研究取得了很大的进步。

诚然,我们直到最近才开始设计能够避免各种碰撞的电子系统(即使司机没有变得更加聪明),例如基于激光雷达的自适应速度控制和带自动牵引力控制功能的侧翻感测。上述两种系统的实例以及在电气总线上如何实现更好的抛负载处理都清晰地表明了芯片设计人员在实现主动汽车安全系统方面的思路。


自适应速度控制


自适应速度控制系统的工作原理非常类似于我们使用了数十年的简单控制系统:驾驶员通过汽车巡航控制功能设置好想要的车速,随后汽车将保持这一车速,直到被人为中断。两者的区别表现在该车快要追上前一辆车速较慢的汽车之时。


在这种情况下,自适应速度控制会把该车的速度降低到设置值之下,以匹配前辆汽车的速度,同时保持安全距离。为实现这种安全等级,光线检测和距离检测(激光雷达)功能已经从过去警察用来追捕超速车辆的工具发展成了子系统,这种子系统能够检测其它车辆的存在,并测量本车与这些车辆之间的距离。


激光雷达子系统可以使用连续波(CW)或脉冲信号。连续波系统使用接收器中的相位比较器来检测发生相移的发射信号回波。相移指示了距离,而变化速率对应着接近速度。


脉冲系统通过计算短光脉冲的飞行时间(TOF)来判断与前辆汽车的距离和接近速度。通常对于汽车应用来说,连续波系统的实现成本太高,因此大多数激光雷达系统使用脉冲式激光。


这些系统的常用组件包括电源、电信号源、功率放大器、发射信号的发射器以及接收传感器、放大器、信号调节器和高速模数转换器(ADC)。通过ADC将接收到信号的数字化版本发送到缓冲存储器,然后由DSP、FPGA或微控制器恢复出数据以进行处理(图1)。德州仪器(TI)使用的ADC能够缓冲其自己的输出,因而允许在DSP或FPGA分析处理来自前一脉冲的数据之时关闭IC的数据转换部分。

 


图1:在自适应控制系统的激光雷达接收信号路径中的关键模拟元件包含为ADC提供动态范围和信号调整的方法。


可适应的汽车间距取决于激光输出功率、光束宽度与排列方式、大气特性(如大雾)、目标反射性能和接收器的灵敏度。


虽然激光驱动器设计相当简单,但接收器的设计有几项关键要求。例如,接收电路设计工程师可能会使用三种检测器中的任意一种:硅PIN检测器(“PIN”指的是半导体堆栈,是由P类、其自身和N类材料组成的三明治结构)、硅雪崩光电二极管(APD)或(可能性不大的)光电倍增管。APD提供了高速、高灵敏度和高可靠性的最佳组合。


假设使用的是APD,那么接收器件将从前一辆车反射回来的光脉冲转换成电流脉冲,再由跨阻放大器转换成电压脉冲。这里需要做出另一项设计决策。理想的跨阻放大器应该具有高增益、高输入阻抗、超低电压和电流噪声以及低输入电容。


在一个典型设计中,跨阻放大器的电压输出将被进一步放大,并且在ADC将其数字化之前还要做进一步的信号调节。为保证在不同车辆间距下的有效性,模拟前端(AFE)电路要求至少100dB的动态范围,这意味着需要使用某种可变增益放大器(VGA)作为最后一级模拟电路。另一项设计决策要考虑ADC输入是用差分还是单端形式,而这意味着在信号处理方式上信号链存在着可变性。

激光雷达接收器


TOF测量精度是影响车辆间距计算的最基本因素,它取决于激光点的脉冲宽度和ADC的速度与精度。在采样率方面,假设光速为c,那么最小采样率简单地计算为c除以要求的分辨率。


对于车用激光雷达来说,距离测量的精度要求大约是±3英尺。在这个前提下,所测量的车间距离必须考虑激光点的来回,即所需的测量分辨率应该是3英尺的两倍,即6英尺。设光速c等于每秒3× 108米(9.84×108英尺/秒),那么最小ADC采样率必须等于(9.84×108)/6或163.9Msamples/s,这意味着采样间隔在6.1ns的数量级。


针对这类应用,TI的200Msample/s ADC08B200A ADC有一些有趣的特性,包括1kB的片上缓存。这款ADC还带一个片上时钟倍频器,因此可以用低至25MHz的外部时钟实现200Msamples/s采样率。

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