創(chuàng)新IC助汽車遠離車禍

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技術的研究取得了很大的進步。

誠然，我們直到最近才開始設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)，例如基于激光雷達的自適應速度控制和帶自動牽引力控制功能的側翻感測。上述兩種系統(tǒng)的實例以及在電氣總線上如何實現(xiàn)更好的拋負載處理都清晰地表明了芯片設計人員在實現(xiàn)主動汽車安全系統(tǒng)方面的思路。

自適應速度控制

自適應速度控制系統(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，自適應速度控制會把該車的速度降低到設置值之下，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)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、信號調節(jié)器和高速模數(shù)轉換器(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或微控制器恢復出數(shù)據(jù)以進行處理(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)之時關閉IC的數(shù)據(jù)轉換部分。

圖1：在自適應控制系統(tǒng)的激光雷達接收信號路徑中的關鍵模擬元件包含為ADC提供動態(tài)范圍和信號調整的方法。

可適應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)、目標反射性能和接收器的靈敏度。

雖然激光驅動器設計相當簡單，但接收器的設計有幾項關鍵要求。例如，接收電路設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”指的是半導體堆棧，是由P類、其自身和N類材料組成的三明治結構)、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換成電流脈沖，再由跨阻放大器轉換成電壓脈沖。這里需要做出另一項設計決策。理想的跨阻放大器應該具有高增益、高輸入阻抗、超低電壓和電流噪聲以及低輸入電容。

在一個典型設計中，跨阻放大器的電壓輸出將被進一步放大，并且在ADC將其數(shù)字化之前還要做進一步的信號調節(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該是3英尺的兩倍，即6英尺。設光速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ADC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。