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)的碰撞用測試假人也慘遭不幸。顯然，在過去50年中，對于車禍中幸存相關(guān)技術(shù)的研究取得了很大的進(jìn)步。

誠然，我們直到最近才開始設(shè)計能夠避免各種碰撞的電子系統(tǒng)(即使司機沒有變得更加聰明)，例如基于激光雷達(dá)的自適應(yīng)速度控制和帶自動牽引力控制功能的側(cè)翻感測。上述兩種系統(tǒng)的實例以及在電氣總線上如何實現(xiàn)更好的拋負(fù)載處理都清晰地表明了芯片設(shè)計人員在實現(xiàn)主動汽車安全系統(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)十年的簡單控制系統(tǒng)：駕駛員通過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。

在這種情況下，自適應(yīng)速度控制會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，同時保持安全距離。為實現(xiàn)這種安全等級，光線檢測和距離檢測(激光雷達(dá))功能已經(jīng)從過去警察用來追捕超速車輛的工具發(fā)展成了子系統(tǒng)，這種子系統(tǒng)能夠檢測其它車輛的存在，并測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。連續(xù)波系統(tǒng)使用接收器中的相位比較器來檢測發(fā)生相移的發(fā)射信號回波。相移指示了距離，而變化速率對應(yīng)著接近速度。

脈沖系統(tǒng)通過計算短光脈沖的飛行時間(TOF)來判斷與前輛汽車的距離和接近速度。通常對于汽車應(yīng)用來說，連續(xù)波系統(tǒng)的實現(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、電信號源、功率放大器、發(fā)射信號的發(fā)射器以及接收傳感器、放大器、信號調(diào)節(jié)器和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。通過ADC將接收到信號的數(shù)字化版本發(fā)送到緩沖存儲器，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分析處理來自前一脈沖的數(shù)據(jù)之時關(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)接收信號路徑中的關(guān)鍵模擬元件包含為ADC提供動態(tài)范圍和信號調(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)動器設(shè)計相當(dāng)簡單，但接收器的設(shè)計有幾項關(guān)鍵要求。例如，接收電路設(shè)計工程師可能會使用三種檢測器中的任意一種：硅PIN檢測器(“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設(shè)計決策。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。

在一個典型設(shè)計中，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的動態(tài)范圍，這意味著需要使用某種可變增益放大器(VGA)作為最后一級模擬電路。另一項設(shè)計決策要考慮ADC輸入是用差分還是單端形式，而這意味著在信號處理方式上信號鏈存在著可變性。

激光雷達(dá)接收器

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

對于車用激光雷達(dá)來說，距離測量的精度要求大約是±3英尺。在這個前提下，所測量的車間距離必須考慮激光點的來回，即所需的測量分辨率應(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。

針對這類應(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還帶一個片上時鐘倍頻器，因此可以用低至25MHz的外部時鐘實現(xiàn)200Msamples/s采樣率。