2.2 TI 工业 mmWave 传感器器件概述

您好，欢迎观看TI 的 IWR14 和 IWR16 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，了解一下信号处理链 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，我们将详细介绍这些器件， 其中会涉及主要功能块。 最后，我们将了解一下启动模式并快速概览一下 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。 IWR 1443 和 1642属于 TI 的 IWR1x 系列 单芯片工业毫米波雷达传感器， 它们基于 FMCW 雷达技术。 这两种器件能够在 76 至 81GHz 频段内运行，具有高达 4GHz的连续线性调频脉冲 带宽。 它们均采用TI 的低功耗 45 纳米 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。 这些毫米波雷达传感器 为楼宇自动化、工厂自动化、 无人机、材料处理、交通监控和监视等 工业应用中的低功耗、自监控、 超精确雷达系统提供了一种理想解决方案。 这两种器件均可通过集成模拟和数字 组件来实现单芯片雷达解决方案， 组件包括多个发射和接收链、 PLL、模数转换器、ARM Cortex R4F、MCU、 C67x DSP 或FFT 加速器、 存储器和各种输入输出接口。 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 集成到了单独的、基于 ARM R4F 的 无线电处理器子系统中，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 81GHz 的频率范围内运行， 并且支持高达 4GHz 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曲线， 以便在同一个雷达帧中支持多个感应 曲线。 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 ARM Cortex R4F MCU以 200MHz 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。 该 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 R4F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，例如扫描、SPI、I2C、UART， 并且支持使用CSI2 和 LVDS 进行高速原始 ADC 数据输出。 本幻灯片显示了典型FMCW 无线电链的组件， 并将它们映射到了14 和 16xx 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。 这里显示了毫米波传感器的 一些示例应用和 相对应的系统拓扑。 首先是液箱液位感应。 典型的工业液位传感器 在 4 至 20 毫安的双线电流回路上运行， 其中传感器每秒唤醒数次 以进行液位测量， 然后返回到睡眠模式以实现必要的电源 效率。 对于此类应用，14xx 器件可 与 MCU 配对，使 MCU 成为主器件。 MCU 定期唤醒并为雷达传感器加电。 测量完成后， MCU 关闭雷达器件并返回到睡眠模式。 第二个应用显示了一个 14 或 16xx 器件 通过适用于无人机或工业机器人应用的 SPI 连接到了一个外部应用处理器或 FPGA。 此处，雷达将感应点云信息 发送到外部处理器进行进一步处理和 决策。 例如，无人机飞行控制器 可以使用雷达传感器提供的 点云信息来避开障碍物 或做出智能着陆决策。 另一种可能的应用可能需要将多个 IWR14 或 16 器件连接到一个中央 应用进程或 FPGA。 此类拓扑可用于在无人机或 自驾式叉车以及 其他类似应用中进行环境感测。 最后一个示例显示了单个 14 或 16xx 器件，该器件与一个成像处理器 配对，例如 TI 的适用于雷达和摄像机融合的 DM812X。 这种部署可用于智能交通 监控，其中的雷达可用于远距离感测， 或者在检测到物体时打开摄像机， 从而节省摄像机电量、磁盘存储空间和数据传输 带宽。 再来看看下一部分， 我们将更详细地介绍毫米波传感器器件 以便了解各个功能块。 这张图片显示了IWR1x 毫米波 雷达系列的叠加方框图。 以绿色标示的组件仅 存在于 14xx 器件上，而以蓝色标示的 组件仅存在于16xx 器件上。 例如，1443 器件有三个发射链， 而 1642 器件只有其中的两个。 因此，第三个TX 链以绿色 突出显示，表示它仅在 1443 上可用。 14xx 器件由三个主要的子系统构成， 分别是射频或模拟子系统、雷达子系统 和主子系统。 除了这三个子系统外， 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各个子组件， 首先从时钟子系统开始。 时钟子系统从 40MHz 晶体的 输入基准生成76 至 81GHz 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 81GHz 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。 IWR1443 有三个TX 链，而 1642 有两个 TX 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、模数转换 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 和 Q 输出。 带通 IF 链具有可配置的较低截止 频率，约为 350kHz。 连续时间Σ-Δ ADC 支持高达15MHz 的带宽。 现在让我们看一看下一个功能块， 即雷达子系统。 雷达系统也称为BSS 或内置 自检子系统。 它包括数字前端、斜坡发生器 和用于控制和配置低级射频 模拟和斜坡发生器寄存器的内部处理器。 雷达处理器实际上是以 200MHz 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， 它负责管理射频校准、 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 消息来访问雷达系统， 这些消息是通过硬件邮箱发送的。 这个接口也称为毫米波链路， TI 的毫米波 SDK 包括一个毫米波长 API。 下一个功能块是主子系统。 主子系统包含一个以 200MHz 的频率 计时的 ARM Cortex R4F 处理器，用于运行用户应用代码。 在磁盘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。 根据器件不同，包括 CSI2 和 LVDS 接口以帮助将高速原始 ADC 数据传输到外部处理器或 FPG。 14xx 器件包括CSI2 和 LVDS， 而 16xx只包括 LVDS。 但请注意，14xx 上的 CSI2和 LVDS 采用多路复用形式， 因此，在任何时候只能使用它们中的一个。 提供一个 SPI/I2C 接口，用于进行电源管理 IC 或 PMIC 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。 雷达硬件加速器仅存在于 14xx 器件上， 它可以从主处理器 卸载 FMCW 雷达信号处理中的某些 常用计算。 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 UR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 来更新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，器件将从串行闪存中 自主上移。 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 的系统 BIOSRTOS 和与雷达器件上 提供的硬件外设相对应的驱动程序。 它还包括毫米波链路和毫米波 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 AVM 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。 它导出毫米波链路 API。 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 mmWave link 的 应用侧，而且还提供 毫米波 API 的另一个级别的抽象。 毫米波 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 在内部使用毫米波链路 API。 这张图片显示了毫米波 SDK 的目录结构。 TI 工业毫米波雷达传感器概述 到此结束。 要了解有关这些器件的更多信息， 请参阅这些资源。 谢谢。423