【無線射頻芯片】-毫米波傳感器將全新智能化引入工業(yè)應(yīng)用

1/1毫米波傳感器將全新智能化引入工業(yè)應(yīng)用從定位和鄰近度測量，到確定液面位置和光照強(qiáng)度，傳感器解決方案為我們供應(yīng)了一個(gè)感測、數(shù)字化表達(dá)和處理四周世界的途徑。特定的應(yīng)用問題已經(jīng)催生出大量不同的傳感器技術(shù)，使得系統(tǒng)能夠在各種各樣的條件下，以不同的精度等級來感測四周狀況。隨著近期智能基礎(chǔ)設(shè)施的興建，工廠內(nèi)的工業(yè)4.0(Industry4.0)、樓宇自動化產(chǎn)品，以及自動駕駛無人機(jī)等更新型應(yīng)用的興起，開發(fā)人員正期盼傳感器能夠?qū)⑾到y(tǒng)性能和效率提升到全新水平。

設(shè)備上配備的毫米波(mmWave)雷達(dá)技術(shù)特地用來在短距離(5cm)到長距離(150m以上)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)探測功能，這項(xiàng)技術(shù)本身可以探測快速運(yùn)動物體(速度高達(dá)300kph)的范圍、速率和運(yùn)動角度，而它的精度不受四周光照、下霧、降雨和灰塵的影響。圖1是范圍、速率和運(yùn)動角度信息的可視化示例。

毫米波傳感器技術(shù)在汽車領(lǐng)域特別勝利，不過設(shè)計(jì)人員目前正在解決這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展至其它市場時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)，比如說樓宇和工廠自動化應(yīng)用領(lǐng)域。所遇到的問題是，此前的雷達(dá)系統(tǒng)都是分立式設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了簡單的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，提高了準(zhǔn)入門檻。

圖1：一個(gè)停車場內(nèi)來自毫米波傳感器的范圍、速率和角度信息：藍(lán)色背景圖表是范圍/速率熱圖(在這幅圖中，你可以識別出移動/靜止的物體和它們的速率);綠色背景圖表是范圍/角度可視化圖;彩色方框標(biāo)出了場景和圖表內(nèi)移動和靜止的車輛及行人

圖2顯示的是一個(gè)分立式毫米波雷達(dá)系統(tǒng)。一個(gè)雷達(dá)信號處理鏈需要多個(gè)集成電路(IC)組件，其中包括一個(gè)射頻(RF)前端和一個(gè)數(shù)字處理后端。設(shè)計(jì)分立式雷達(dá)系統(tǒng)需要賜予特殊的關(guān)注，并且要考慮多個(gè)留意事項(xiàng)，以解決在一塊印刷電路板(PCB)上發(fā)送高速雷達(dá)數(shù)據(jù)的問題，諸如微掌握器單元(MCU)等的中心掌握器必需將掌握信號根據(jù)肯定路線發(fā)送給這些獨(dú)立組件。這些系統(tǒng)對于外部電磁干擾(EMI)特別敏感，這使它們很難針對特定的"嘈雜'環(huán)境和挑戰(zhàn)性更高的室外環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。

分立式雷達(dá)系統(tǒng)也對軟件設(shè)計(jì)人員提出了挑戰(zhàn)。主機(jī)MCU的配置和掌握信號需要發(fā)送至每個(gè)RF和數(shù)字處理組件，以確保系統(tǒng)能夠針對不斷變化的環(huán)境條件和應(yīng)用需求最優(yōu)地掌握每個(gè)組件，而這需要大量的軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)策略。

圖2：分立式毫米波雷達(dá)系統(tǒng)示例。每個(gè)彩色方框代表射頻前端或數(shù)字處理后端內(nèi)的一個(gè)獨(dú)立IC或一組IC

如圖3所示，TI的單芯片IWR1x毫米波傳感器產(chǎn)品組合將毫米波雷達(dá)射頻技術(shù)與強(qiáng)大的ARMMCU和TI數(shù)字信號處理(DSP)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了簡潔的單芯片解決方案，降低了毫米波感測的準(zhǔn)入門檻。借助TI的單芯片10mmx10mmIWR1x傳感器，你不用再去處理分立式前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器件之間的簡單高速數(shù)據(jù)和通信走線，也不用處理額外尺寸、功率和支持它們的相關(guān)物料清單成本。這個(gè)集成度還簡化了軟件設(shè)計(jì)過程，從而極大簡化了器件配置、監(jiān)控和校準(zhǔn)。

圖3：TI的IWR1x毫米波傳感器將單芯片毫米波感測所必需的全部組件集成在一起，以簡化硬件和軟件設(shè)計(jì)。

毫米波對應(yīng)用的影響

液位感測是工廠內(nèi)倉儲和測量不同化學(xué)品的一個(gè)重要部分。由于這些化學(xué)品具有腐蝕性或毒性，必需在非直接接觸的狀況下測量剩余的液體體積。mmWave感測供應(yīng)高精度測量值，并且在灰塵、煙霧或極端溫度等環(huán)境條件下具有穩(wěn)健耐用性。IWR1x射頻前端是高度線性的，其超寬(連續(xù)4GHz，5GHz拼接)帶寬可以在深度1m至80m的液罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)極精確的亞毫米測量值。針對77GHz級放射器參考設(shè)計(jì)的功率優(yōu)化設(shè)計(jì)給出了如何優(yōu)化在4-20mA功率受限系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的IWR1443。

交通監(jiān)控基礎(chǔ)設(shè)施的目的在于，通過把握與車輛和行人有關(guān)的特定信息和遙感數(shù)據(jù)，對路口的狀況做出準(zhǔn)時(shí)應(yīng)對，并且搜集交通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以提高運(yùn)輸效率。毫米波傳感器可以實(shí)現(xiàn)對車輛位置和速率的測量，并且能夠探測速率高達(dá)300kph、距離在150m和更遠(yuǎn)范圍以外的物體。

無人機(jī)已被廣泛采納，從愛好者的飛行競技，到大量行業(yè)內(nèi)的商業(yè)用途，比如包裹投遞和林業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)平安性、提高平臺的生產(chǎn)力，設(shè)計(jì)人員面臨諸多挑戰(zhàn)，包括使無人機(jī)能夠探測障礙，并且在最危急的飛行狀況下為操作人員供應(yīng)幫助。無人機(jī)要求高速物體探測功能，并且能夠在100m距離內(nèi)跟蹤大小為數(shù)厘米的物體，比如當(dāng)無人機(jī)接近地面或在物體四周運(yùn)行時(shí)。由于無人機(jī)是由電池供電運(yùn)行的，為了延長飛行時(shí)間和提高有效負(fù)載，解決方案應(yīng)尺寸小巧、重量輕。

目前供應(yīng)的IWR1443BOOST和IWR1642BOOST評估模塊可以輕松評估毫米波雷達(dá)技術(shù)，并且顯示如何在多種工業(yè)感測應(yīng)用中使用范圍、速率和角度數(shù)據(jù)。通過使用具有TI供應(yīng)的mmWave軟件開發(fā)套件(SDK)的評估模塊，