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作者：飛思卡爾公司高級應用工程師Andrew Robertson 當前，世界各地由于道路交通事故而導致死亡的人數不斷攀升。據世界健康組織統計，2010年，124萬人死于道路交通事故，交通事故已成為全球第八大人員意外死亡的主要原因。在發達地區，汽車被動安全系統、安全帶、安全氣囊、撞擊緩沖區等已經成為減少車主和行人死亡和嚴重損害事故發生的基本配置和措施。但即使是在世界上一些發達地區(在那里車輛變得越來越互連，并為車輛運營商提供越來越高的信息水平)，分析人士仍然認為駕駛員分心是導致人員死亡和嚴重損害事故發生的真正潛在因素，因此，汽車制造商需要改善車輛的自動安全系統，并且這一需求正逐年增加。 另一方面，當全球汽車行業正在為車輛事故“零死亡率”的目標努力時，消費者需求和政府立法也在驅動著汽車安全標準的改進，主動型和預測型防碰撞安全系統在現代汽車中越來越盛行起來。例如，高級駕駛員輔助系統(ADAS)的增值功能——電子穩定控制系統和后視攝像頭，以及基于視覺的行人檢測系統等——正隨著微控制器和傳感器技術的進步而變得可能。此外，基于雷達技術的增強型嵌入式解決方案也可為ADAS設計人員提供互補的安全特性。 全新的雷達技術解決方案 隨著全球各國陸續近期出臺的標準和法規，越來越多的ADAS系統有望在未來成為政府強制要求安裝的車輛配置系統，如車輛的后視攝像頭和面向商用車的高級緊急制動輔助系統(AEBS)等。基于雷達技術的汽車安全系統可實現盲點和側面碰撞檢測，以及中遠距離的正面雷達探測等，以實現自適應巡航控制功能。 以飛思卡爾推出的嵌入式微控制器和專門面向雷達應用的77GHz毫米波集成式電路為例，該典型雷達模塊由發射解決方案(Tx)、電壓控制振蕩器(VCO)、三通道接收器IC(Rx)及微控制器(MCU)組成。芯片通過約 38 GHz的本地振蕩器(LO)信號連接，通過串行外設接口(SPI)總線可獨立控制每個芯片。主控制器和調制主機是一款帶有集成式高速模數轉換器 (ADCs)的單個微控制器，并具備適當信號處理功能，如快速 傅立葉轉換(FFT)。 憑借Qorivva MPC577xK MCU和MRD2001 77GHz雷達收發器芯片組，飛思卡爾推出了新一代基于嵌入式雷達的產品 。該雷達收發器芯片組由一個VCO(MRD2001VC)、一個2通道Tx發射器(MRD2001TX)和一個3通道RX接收器(MRD2001RX)組成，這些新產品為汽車設計提供了完整的嵌入式雷達系統。同時，該雷達技術解決方案進一步完善了現有的高性能ADAS系統，例如，在嵌入式攝像頭/視頻產品方面——飛思卡爾SCP220x圖像認知處理器(ICP)系列和Qorivva MPC5604E MCU——專為高級視覺處理而設計，用于車輛和行人檢測，可滿足汽車制造商對ADAS解決方案更高的性能要求。 先進的系統集成性能 當前許多雷達系統都基于Qorivva MPC5675K MCU——包括外部FPGA、ADC、DAC、SRAM和用于發射和接收的模擬前端。而全新的MPC577xK MCU可在單一芯片解決方案中支持經濟高效的雷達系統，同時進一步提升系統的性能。 MPC577xK系列在單一356 BGA封裝中提供高水平的數字和模擬集成，無需外部FPGA、ADC、DAC和SRAM，實現了更佳的成本優勢，減少了所需組件的數量、PCB尺寸和軟件復雜性。 
圖1：雷達芯片組演變 除了兩個266 MHz e200z7處理內核，MPC577xK MCU還采用了一個最先進的信號處理工具箱(SPT)，包含處理短、中和長距離雷達應用采樣信號所需的硬件模塊。SPT是一款強大的處理引擎，通過特定命令驅動的指令集驅動高性能信號處理操作。其可編程性可確保在頻繁的硬件任務調度中移除CPU時，仍可保持靈活性，控制處理流程并與其互動。系統優勢還包括：易于使用的MCU，帶有集成式FFT加速器；大密度存儲器支持可擴展的雷達應用；支持開環和鎖相環系統，實現設計的靈活性；可控的功耗，可提高效率；幫助系統制造商滿足功能安全 ISO 26262 ASIL-D目標。 在安全特性方面，作為飛思卡爾SafeAssure 項目的一部分，MCP577xK MCU采用兩個高性能功率Architecture e200z7內核，以實現信號處理，并可幫助汽車制造商實現最低的ISO 26262汽車安全完整性等級-B(ASIL-B)。除了滿足汽車功能安全應用的要求，鎖步配置中采用了兩個e200z4 內核，專門為滿足決策和關鍵安全需求而設計，可幫助實現ISO 26262 ASIL-D認證。 另外，MCP577xK MCU還具有一些其它的關鍵安全特性，如在線邏輯內置自檢(LBIST)、存儲器內置自檢(MBIST)、端到端糾錯碼(ECC)、時鐘和發電監視器和故障處理模塊等，可幫助客戶獲得ASIL-D認證。
圖2：Qorivva MPC577xK MCU框圖 高性能且可擴展至多通道 MRD2001 77GHz 雷達收發器芯片組是面向汽車雷達模塊的可擴展、高性能三封裝解決方案。該芯片組由一個VCO、一個2通道Tx發射器和一個3通道RX接收器組成。這三部分都采用500um間距、 6mmx6mm扇出型晶圓級封裝 。該封裝技術是77GHz雷達應用的理想選擇，因其在頻率高達100GHz時，具有極低的插損和寄生效應。另外，由于無需為裸片采用芯片和布線裝配技術，因此經過封裝的芯片組簡化了最終用戶的雷達模塊裝配。芯片組可以隨時擴展至4個TX信道和12個RX信道，使單一的雷達平臺能夠在寬視域內控制電子束，支持低中高及豪華汽車的長距離、中距離和短距離雷達應用。 與此同時，系統可擴展至4個TX通道和12個RX通道，都有激活通道，可使單個平臺在更寬的探測區域內實現電子束控制；高級封裝技術可確保用戶PCB上的最高性能和最低信號干擾；低功耗，完整功能的收發器典型功耗為2.5W；支持100MHz/100ns的快速調制；在1MHz偏移 時，具備小于-93dBc/Hz的最佳相位噪聲，用于改進目標分離；集成式基帶濾波器和VGA可節省系統物料成本；38GHz本地振蕩器可減少電路損耗并降低系統干擾；發射器芯片上的雙相調制器可拒絕寄生信號。 MRD2001雷達收發器芯片組采用高級封裝技術，可提供優異的熱性能和電氣性能。該封裝符合嚴格的汽車標準，包括焊點可靠性、深部溫度和濕度循環，以及EMC性能，并面向主要供應商，符合減少有害物質(RoHS)標準。
圖3：MRD2001 77 GHz雷達收發器芯片組 支持開環雷達系統設計 MPC577xK MCU和MRD2001 77GHz雷達收發器芯片組專門為支持開環雷達系統而設計。在該系統中，鎖相環無需產生線性調頻信號(FMCW調制)，因而可以降低系統的總功耗。 開環概念一般與快速線性調頻信號FMCW調制結合使用，調頻時間在10us至100us范圍內。由于完整的雷達圖像可被更快速地捕捉，快速線性調頻信號系統可降低占空比，并改進雷達系統的SNR。高基帶頻率的潛在劣勢是會促使所需的ADC采用更高的模擬帶寬和采樣率。MPC577xK MCU克服了這一潛在問題，因為它集成了高達8個??-ADC，并帶有5MHz帶寬和320 MHz的內部采樣時鐘。 在開環雷達系統中，MCU是帶有數模轉換器(DAC)的線性調頻信號主機，為VCO提供調諧電壓。根據調諧電壓，VCO可生成高頻信號(LO)，驅動不同的接收器和發射器芯片。 在常規運行期間，系統發射線性調頻信號，并接收反射信號。與發射器組合的接收器作為零差系統，使接收信號直接降頻至基帶中。然后，基帶信號被過濾并放大(接收器芯片含有濾波器和可變增益放大器)，并輸送到MPC577xK MCU的??-ADC中。通過將基帶信號轉變成數字域、使用數字波束形成方法、采用FFT和跟蹤算法，可根據距離、速度和角位置來識別目標。 總結 隨著全球主流汽車廠商對主動和預測安全系統的需求增加，半導體供應商需要不斷進行創新。新的解決方案必須使系統供應商和 OEM廠商不僅能夠根據成本，而且還可以根據規格來優化當今雷達系統的物料成本。除了中遠距離的正面雷達之外，制造商還需要結合可檢測盲點和側面碰撞的雷達系統。最新的基于雷達技術的解決方案將為新一代ADAS系統的開發人員提供獨特的功能支持，幫助他們不僅能夠符合最新的行業監管標準，而且還可以更好地保障人員生命和財產的安全。 |
