2.1 TI 汽车 mmWave 传感器设备概述

大家好，欢迎观看 TI 的 AWR1x 系列基于 CMOS 的单芯片毫米波雷达传感器的 器件概述。 在此视频中，我们将首先扼要介绍 TI 的 毫米波传感器，了解信号处理链 与这些器件的关系，并介绍 几种可以在其中部署这些器件的系统拓扑。 然后，我们详细介绍这些器件， 其中会涉及主要功能块。 最后，我们将了解启动模式并简要概述 可使用 TI 的毫米波传感器 进行开发的软件开发平台。 让我们首先简要概述一下这些器件。 AWR1243、1443和 1642 属于 AWR1x 系列单芯片毫米波雷达 传感器，适用于先进的驾驶员辅助系统 或 ADAS 应用。 这些器件能够在 76 至 81 GHz 频段内运行，具有高达 4GHz 的连续线性调频脉冲带宽。 这些器件是采用 TI 的低功耗 45 纳米射频 CMOS 技术构建的，并可在极小的 封装中实现前所未有的集成度。 这些雷达传感器为先进的汽车应用 提供了适用于低功耗和 自监控超精确雷达系统的理想 解决方案，例如自适应巡航 控制、自动紧急刹车、盲点检测、 行人或骑行者保护、防碰撞、 市区驾驶和自动化公路驾驶， 仅以这些为例。 通过集成模拟和数字组件， 包括多个发射和接收链、 PLL、A2D 转换器、ARM Cortex-R4F MCU 或 C674x DSP或 FFT 加速器、 存储器和各种 I/O 接口，此器件系统可以从 AWR1243 雷达前端一起扩展到完整的单芯片雷达。 这些器件还将射频的连续自监控 和校准特性以及模拟功能 集成到了专用的、基于内置 ARM R4F 的 无线电过程子系统中，负责进行 前端的配置、控制和校准。 此部分介绍了这些器件的主要特性。 这些传感器基于FMCW 雷达技术， 能够在 76 至 81 GHz 的频率范围内运行， 并且支持高达 4 GHz 的线性调频脉冲带宽。 为 MIMO 雷达的运行提供了 多达三个发射链和四个接收链。 TI 的毫米波传感器支持 高度可编程且灵活的线性调频脉冲剖面， 以便在同一个雷达帧中支持多个感应 剖面。 1443 具有用于 FFT 运算的板载硬件加速器 和基于连续虚警率或 CFAR 的检测 算法，而1642 为 FMCW 信号处理提供功能全面的 C76X 高性能DSP 内核以及 群集、跟踪和物体分类等 高级算法。 有两个 ARMCortex 软件 FMCU 以 200 MHz 的频率运行。 其中一个已锁定，供校准和监控 引擎，即无线电子系统使用。 这个 R4F 通过 TI提供的固件进行编程， 不适用于用户代码。 但第二个Cortex 软件 F 可用于进行高级应用处理。 这些器件支持各种工业标准 输入输出接口，例如CAN、SPI、I2C、UART， 并且支持使用 CSI2 进行高速原始 ADC 数据输出。 这个幻灯片显示了典型FMCW 雷达链的组件， 并将它们映射到了12、14 和 16x 器件的 信号处理功能。 接收器链始于接收反射雷达 信号的射频前端， 该反射雷达信号与发射器信号混合， 生成拍频信号并 传输到 ADC。 ADC 将模拟信号转换为数字样本， 并对样本进行预处理 以便进行数字处理。 对数字化样本进行连续 FFT 运算 以进行距离、速度和到达角计算。 可以使用14xx 器件上的 板载雷达硬件加速器来卸载 FFT 和检测处理， 从而获得点云输出。 可以使用 16xx 器件，利用板载的 C674x DSP 来运行高级群集、跟踪和物体 分类算法。 此处，我们显示了几种 可以在先进的汽车应用中部署这些器件的 拓扑。 第一个应用显示了四个 AWR1243 器件 采用级联配置进行连接 以实现高分辨率成像。 1242 雷达前端在器件 引脚边界处提供高频率 时钟合成器输出，此输出可以馈送给其他 AWR1242 器件以使它们都同步运行 并充当单一传感器，从而实现更高的角分辨率。 使用级联配置，角分辨率 可以随着器件数量的增加 而以指数方式提高，因为角度单元总数 是实际发射和接收通道总数的 乘积。 例如，具有三个发射天线和四个接收 天线的单个AWR1243 提供 四乘以三，即 12 个角度单元。 但以级联模式使用两个 AWR1242 器件时， 角度单元数增加到六乘以八， 即 48。 雷达传感器通过 CSI2 连接到外部处理器，该外部处理器 对来自传感器的原始 ADC 数据进行 FMCW 信号处理。 该处理器还处理雷达传感器的 配置和控制。 同样，可以对中距离雷达或 角落雷达应用使用包含两个 AWR1243 器件的较小级联配置， 如第二幅图片中所示。 第三个应用显示了单个 AWR1243 通过 CSI2 连接到外部处理器 以实现远距离雷达。 此配置适用于自动化公路驾驶 和自适应巡航控制应用， 因此，应以能够实现最大距离和速度的 方式配置传感器。 使用单元外 [听不清]来实现更远的距离。 最后一幅图片显示了一种卫星配置， 其中多个 1642器件连接到了 一个外部应用处理器RF-BGA 或 CAN-FD。 每个 1642 器件均使用片上 C674x DSP 处理其雷达传感器数据，并向外部处理器提供 点云输出。 可以使用 1642 上的DSP 来运行高级群集 和跟踪算法，并为外部 处理器提供更智能的输入。 外部处理器收集各自的输出 并做出适合应用的更高级决策。 此配置可在自动市区驾驶中 用于环境感应。 再来看看下一部分， 我们将更详细地介绍基于毫米波的传感器器件 以便了解各个功能块。 这张图片显示了AWR1x 器件系列的 复合方框图。 1243 雷达前端只包括 射频/模拟子系统和无线电子系统记录。 14 和 16x 器件都包括主子系统， 而 DSP 子系统仅存在于 16x 上。 器件架构可以分为 以下主要块：射频或模拟子系统、 雷达子系统和主子系统。 除了这三个系统外， 16xx 器件还包括DSP 子系统， 在这张图片中以蓝色标出。 让我们更细致地看一下射频和模拟子系统。 这个子系统包括射频和模拟电路， 即合成器、PA、LNA、混频器、IF 和 ADC。 这个子系统还包括晶体振荡器和 温度传感器。 射频和模拟子系统可以 分为三个子组件， 即时钟子系统、发射子系统 和接收子系统。 我们将更详细地介绍这些子组件， 首先从时钟子系统开始。 时钟子系统从 40 MHz 晶体的 输入基准生成76 至 81 GHz 的频率。 它有一个内置的振荡器电路， 其后面是一个清理 PLL和一个射频合成器电路。 之后，4x 乘法器将会处理射频 合成器的输出以便在 76 至 81 GHz 频谱内 产生所需的频率。 射频合成器输出由时序引擎块进行 调制以便产生所需的波形， 确保传感器有效运行。 时序引擎极其灵活， 可通过基于 R4F 的无线电控制器子系统 进行编程。 可以在器件引脚边界处 使用射频合成器的 输出以实现多芯片级联配置。 系统唤醒后，清理 PLL也会为主机处理器提供 参考时钟。 时钟子系统也具有用于检测 是否存在晶体并监控发生器 时钟质量的内置机制。 接下来我们讨论一下射频和模拟子系统的组件， 即发射子系统。 根据器件不同，发射子系统 包含两个或三个并行发射链。 每个发射链都有独立的相位 和振幅控制。 最多可以同时运行 两个发射链。 但所有三个链可以通过时间 多路复用方式一起运行。 该器件还支持MIMO 雷达的 二进制相位调制和干扰抑制。 最后，我们看一下接收子系统。 接收子系统包含四个并行通道， 每个接收通道均包含LNA、混频器、 IF 滤波、A2D转换和抽取。 所有四个接收通道可以同时运行。 还提供单独的通电选项 以实现系统优化。 与传统的仅卷带接收器不同， TI 的雷达传感器支持复基带架构， 这种架构使用正交混频器以及双通道 IF 和 ADC 链 为每个接收器通道提供复数 I/Q 输出。 带通 IF 链具有可配置的 较低截止频率，约为 350 kHz。 连续时间Σ-Δ ADC 支持高达15 MHz 的带宽。 现在让我们看一看下一个功能块， 即雷达子系统。 雷达处理器实际上是以 200 MHz 的频率运行的 第二个专用 ARMCortex-R4F 微控制器。 请注意，此处理器由 TI 进行编程， 负责管理校准不当、自检 和监控功能。 此处理器不适用于客户应用。 在主子系统上运行的用户应用 不能直接访问雷达系统。 主系统通过明确定义的 API 消息来访问雷达子系统， 这些消息是通过硬件邮箱发送的。 这个接口也称为mmWaveLink。 TI 的毫米波 SDK包括 mmWaveLink API。 下一个功能块是主子系统。 主子系统包含一个以 200 MHz 的频率 计时的 ARM Cortex-R4F 处理器，用于运行用户应用代码。 在这个处理器上执行的用户应用程序 控制器件的总体运行， 包括通过明确定义的 API 消息 进行雷达控制、在雷达硬件加速器或 DSP 以及用于 外部接口的外设的协助下进行 雷达信号处理。 这个子系统还包括14 或 16xx 器件上 可用的各种外部接口。 提供了一个四路串行外设接口或 QSPI， 可用于直接从串行闪存 下载客户代码。 包括一个CAN 接口， 可用于直接从器件与画布通信。 提供一个 SPI/I2C 接口，用于进行电源管理 IC 或支付控制。 对于更复杂的应用，器件 可以在外部 MCU 的控制下运行， 该 MCU 可以通过 SPI 接口与 14 或 16xx 器件通信。 下一个功能块是 DSP 子系统。 DSP 子系统仅存在于 16xx 器件上， 它包含 TI 的高性能 C674x DSP， 用于进行 FMCW 信号处理，包括 FFT 和检测， 还可用于高级雷达信号处理。 这可以使 16xx 用作完整的单芯片雷达， 并具有适用于群集、跟踪和物体分类的 高级功能。 下面看一下雷达硬件加速器， 这是本器件概述中的最后一个功能块。 雷达硬件加速器仅在 14xx 器件上 可用。 它可以从主处理器上卸载 进行某些常用计算和 FMCW 雷达信号 处理。 FMCW 雷达信号处理涉及使用 FFT 和对数幅度计算，从而 在距离、速度和角度维度之间获得雷达 图像。 FMCW 雷达信号处理中的一些常用功能 可以在雷达硬件加速器内执行， 同时仍能保持在主系统处理器中 实现其他专有算法的灵活性。 如此图中所示，加速器 包含两个功能部分。 第一个功能部分用于 FFT 和相关预处理以及对数幅度运算。 第二个功能部分 提供基于 CFAR 或恒虚警率的 检测算法。 进出雷达硬件加速器的数据移动 基于 TI 的 EDMA 或增强型直接存储器 存取控制器。 请参阅雷达硬件加速器 用户指南或雷达硬件加速器在线培训 以了解更多详细信息。 介绍完了各个功能块后， 我们现在简要看一下 TI 的 雷达器件上可用的启动模式。 TI 的毫米波雷达器件支持两种启动模式， 即闪存模式和功能模式。 通过按照器件数据表中 所述的方式配置加电感测或 SOP 引脚， 可以选择所需的启动模式。 我们先谈一谈闪存模式。 这种启动模式用于将程序二进制映像 刻录或存储到QSPI 串行闪存中。 启用这种启动模式后，引导加载程序 将启用 UART驱动程序 并会获得由应用二进制映像构成的数据流。 在接收到有效的应用二进制映像时， 引导加载程序会将该二进制映像存储到串行闪存的 相应部分。 可以在软件开发过程中使用这种启动模式 来升级闪存上的应用二进制文件。 第二种模式是功能或部署模式， 用于使用先前存储的应用 二进制文件从 QSPI闪存启动器件。 选择这种启动模式后，引导加载程序 将会在 QSPI 闪存中查找有效的应用程序映像。 在找到有效的映像后，引导加载程序 会将该映像复制到主子系统的存储器中 以开始启动过程。 通过这种方式，器件将从闪存 自主启动。 在本次演示的最后一部分， 我们快速了解一下可用于对 TI 的 毫米波雷达器件进行编程的软件平台。 TI 的毫米波雷达传感器有丰富的软件产品作为辅助， 其中包括 SDK、TI 设计、示例 和工具。 软件平台分为三个主要组成部分， 如图所示。 第一部分是毫米波 SDK， 它提供各种基础软件组件， 例如 TI 的SYS/BIOS RTOS 和 与雷达器件上提供的硬件外设 相对应的驱动程序。 它还包括mmWaveLink 和 毫米波 API 以支持使用高级 API 对雷达传感器进行编程。 它还包括适用于C67x DSP 和 雷达硬件加速器的信号处理库。 除了毫米波 SDK 外，软件产品还包括 开包即用演示、各种 TI 设计 和实验。 通过开包即用演示，用户可以 快速评估雷达 EVM 并可视化目标物体的 距离、速度和角度。 TI 设计演示TI 毫米波雷达 在特定应用中的适用性， 例如液位感应和交通监控应用。 最后，但同样重要的是，我们有 mmWave Studio， 它提供了系统估算器工具和原始 ADC 数据 捕获功能。 我们将在下一张幻灯片中介绍 系统估算器工具。 定义线性调频脉冲配置对 FMCW 雷达的正常运行 非常重要。 系统估算器工具的目的 是简化为 TI 的毫米波雷达 传感器定义线性调频脉冲 以实现所需感应配置这项复杂任务。 使用这个工具，用户可以提供 应用级输入，例如所需的最大距离、 速度、距离分辨率、速度分辨率等， 并且输出线性调频脉冲配置， 此配置可与毫米波API 配合使用， 以便相应地对传感器进行编程。 它还估算与线性调频脉冲配置相对应的 雷达数据队列存储器要求， 并还标记越界参数。 这张图片显示了TI 毫米波 SDK 的 架构图。 用蓝色标示的组件由 SDK 提供， 而用红色标示的组件表示应用代码。 我们可以看到，SDK 采用模块化设计， 并且分为不同的层。 每个层为其上面的层提供 明确定义的 API，因而降低了复杂性。 例如毫米波前端固件， 它在雷达子系统上 运行，完全包含射频和模拟 功能的配置、控制、校准和 监控。 它导出 mmWaveLinkAPI，使用此 API， 主子系统可与其通信，从而控制和 监视传感器前端。 毫米波 SDK 不仅实现 mmWaveLink 的 应用侧，而且还提供 毫米波 API 的另一个级别的抽象。 该 API 提供高级功能，用于 对雷达前端进行编程和控制。 毫米波 API 在内部使用 mmWaveLink API。 这张图片显示了毫米波 SDK 的目录结构。 TI 汽车毫米波雷达传感器概述至此 结束。 要了解有关这些器件的更多信息， 请参阅这些资源。 谢谢。417