mmWawe от Texas Instruments: сверхточные радары и ARM-Cortex R4F в одном корпусе

| Texas Instruments

Существует множество самых разнообразных приложений, в которых приходится решать задачу обнаружения объектов и препятствий. В качестве примеров можно привести автомобильные системы автоматической парковки, системы защиты от столкновения с пешеходами и комплексы управления дорожным движением на перекрёстках. В промышленности схожие задачи возникают при создании систем контроля присутствия и комплексов радиолокации для роботов и дронов. Компания Texas Instruments предлагает свое решение этих задач в виде серии сенсоров mmWawe, которые объединяют в одном корпусе датчики приближения и мощное процессорное ядро ARM Cortex R4F с рабочей частотой до 200 МГц.

Датчики приближения mmWawe от TI

Рис. 1. Датчики приближения mmWawe от TI

Способность твердых тел отражать радиоволны была обнаружена еще во второй половине 19 века Генрихом Герцем, однако использовать этот эффект для радиолокации стали только перед Второй мировой войной в качестве элемента защиты от вражеской авиации.

Принцип работы радиолокатора подразумевает наличие двух основных компонентов: приемника и передатчика (рис. 2). Передатчик формирует высокочастотный сигнал, который, отражаясь от препятствий, фиксируется приемником. По величине задержки между переданным и принятым сигналом можно рассчитать расстояние до объекта. Компания TI для решения задачи обнаружения объектов предлагает использовать технологию mmWave (Millimeter wave) с миллиметровым диапазоном длин волн. Рассмотрим некоторые особенности ее физической реализации.

Структура датчика приближения

Рис. 2. Структура датчика приближения

В отличие от традиционных радарных систем, в которых используют импульсную передачу сигнала, в mmWave применяется частотно-модулированный непрерывный сигнал (frequency modulated continuous wave, FMCW) (рис. 3). Частота сигнала линейно меняется во времени от 77 ГГц до 81 ГГц и обратно.

Исходный сигнал в датчиках mmWave от Texas Instruments

Рис. 3. Исходный сигнал в датчиках mmWave от Texas Instruments

Как и в обычном радиолокаторе, в mmWave прямая радиоволна достигает объекта, отражается и возвращается обратно к датчику, где фиксируется приемником. После этого исходная и отраженная волны микшируются в преобразователе частоты. Результирующий выходной сигнал IF (intermediate frequency) интересен только в момент перекрытия исходных сигналов (рис. 4). При этом он имеет постоянную частоту и фазу, равную разности фаз исходных сигналов. Используя несложные преобразования, по полученным данным можно определить расстояние до объекта.

Смещение прямого и отраженного сигналов и получение выходного сигнала постоянной частоты

Рис. 4. Смещение прямого и отраженного сигналов и получение выходного сигнала постоянной частоты

Технология mmWave позволяет обнаруживать несколько объектов одновременно. При этом в спектре выходного сигнала IF будут присутствовать несколько тоновых частот. Каждая составляющая спектра может быть выделена с помощью преобразования Фурье (рис. 5).

Одновременное обнаружение нескольких объектов

Рис. 5. Одновременное обнаружение нескольких объектов

С помощью mmWave удается также легко определять частоту вращения различных объектов. Для этого требуется пара передатчиков. Каждый передатчик формирует свой сигнал со смещением друг относительно друга. Детектирование отраженных сигналов производится одним приемником. В результате будет наблюдаться периодическое смещение фазы выходного сигнала IF. По этому смещению можно судить о движении объекта.

 Обнаружение вращения объекта

Рис. 6. Обнаружение вращения объекта

При наличии пары приемников можно определять не только расстояние до объекта, но и его угловое положение (рис. 7). В данном случае для расчетов используются полученные значения расстояний до каждого из приемников (d) и элементарные геометрические соотношения.

Определение углового положения объекта

Рис. 7. Определение углового положения объекта

Предложенная технология оказывается весьма перспективной для автомобильных, промышленных и коммерческих приложений (рис. 8). Однако до сих пор ее реализация осложнялась целым рядом вполне объективных причин. Можно выделить три наиболее значимых из них:

  • необходимость создания сложной системы, которая объединяет: передатчики, приемники, синтезатор частот, ВЧ-аналоговые цепи модуляции и демодуляции, ЦАП, АЦП, процессор;
  • необходимость использования дискретных компонентов, что негативно сказывалось на стоимости;
  • значительные габариты системы, что не позволяло создавать компактные мобильные устройства.

Области применения радиолокационной технологии mmWave

Рис. 8. Области применения радиолокационной технологии mmWave

Компания Texas Instruments смогла решить перечисленные проблемы и начала выпускать две линейки интегральных датчиков приближения mmWave, выполненных по технологическому процессу 45-нм RF CMOS: AWR для автомобильных приложений и IWR для промышленных систем. Промышленные сенсоры работают при температурах -40…+105°C. Для автомобильных датчиков диапазон шире и составляет -40…+125°C.

Датчики mmWave снимают проблему интеграции, так как представляют собой законченные системы, объединяющие в одном корпусе наиболее сложные функциональные блоки (рис. 9):

  • процессорное ядро ARM Cortex R4F с рабочей частотой до 200 МГц;
  • память до 1,5 Мбайт;
  • датчик приближения: три передатчика, четыре приемника, синтезатор частоты;
  • коммуникационные интерфейсы (CAN, CANFD, CSI, SPI, I2C);
  • дополнительный ускоритель для радиолокационных приложений (IWR1443 и AWR1443);
  • дополнительный цифровой сигнальный процессор C67x с рабочей частотой до 600 МГц (IWR1642 и IWR1642).

Структура датчиков IWR1642 и IWR1642

Рис. 9. Структура датчиков IWR1443 и IWR1642

Сейчас номенклатура датчиков mmWave от Texas Instruments включает пять представителей:

AWR1443 – автомобильный датчик приближения с микропроцессорным ядром ARM Cortex R4F и аппаратным ускорителем для радиолокационных приложений. Этот сенсор отличается наличием четырех приемников и трех передатчиков.

AWR1642 – автомобильный датчик приближения с микропроцессорным ядром ARM Cortex R4F и цифровым сигнальным процессором C67x. AWR1642 имеет в своем составе четыре приемника и пару передатчиков.

AWR1243 – автомобильный датчик приближения (без процессорного ядра) с четырьмя приемниками и тремя передатчиками.

IWR1443 – промышленный датчик приближения с микропроцессорным ядром ARM Cortex R4F и аппаратным ускорителем для радиолокационных приложений. В состав микросхемы входят четыре приемника и три передатчика.

IWR1642 – промышленный датчик приближения с микропроцессорным ядром ARM Cortex R4F и цифровым сигнальным процессором C67x. IWR1642 отличается наличием четырех приемников и двух передатчиков.

Датчики mmWave позволяют создавать весьма компактные решения. Все представленные микросхемы выполнены в 161-выводном BGA-корпусе, который занимает на печатной плате всего 108 мм2 (10,4 x 10,4 мм).

Как видно из структурной схемы сенсоров, они требуют некоторых внешних компонентов, в частности антенн. Диапазон частот исходного сигнала в датчиках mmWave составляет 76–81 ГГц, что соответствует длине волны 4 мм. Это дает сразу два преимущества. Во-первых, геометрические размеры антенн оказываются весьма скромными. Во-вторых, удается получать точность измерений вплоть до десятых долей миллиметра.

Несмотря на наличие дополнительных внешних компонентов, законченная система остается весьма компактной. Так, реальные модули по габаритным размерам сравнимы с большой монетой (рис. 10).

Законченный датчик имеет достаточно компактные размеры

Рис. 10. Законченный датчик имеет достаточно компактные размеры

В качестве относительного недостатка представленных датчиков стоит отметить высокую сложность используемой системы питания, которая требует четырех источников напряжения:

  • 1,8 В с током до 850 мА для синтезатора частоты, APLL VCO, кварцевых резонаторов, усилителей IF-сигнала, АЦП, LVDS;
  • 1,3 В с током до 2 000 мА для мощных усилителей, малошумящих усилителей, микшера преобразователя частоты;
  • 3,3/ 1,8 В с током до 50 мА для цифровых входов-выходов;
  • 1,2 В с током до 1000 мА для ядро и ОЗУ.

Кроме непосредственно микросхем датчиков, Texas Instruments предлагает и несколько отладочных наборов. Например, IWR1443BOOST, IWR1443 и IWR1642 – законченные отладочные и оценочные наборы для датчиков IWR1443/ IWR1642 (рис. 11).

Внешний вид отладочных наборов IWR1443BOOST, IWR1443 и IWR1642

Рис. 11. Внешний вид отладочных наборов IWR1443BOOST, IWR1443 и IWR1642

Характеристики mmWave-сенсора IWR1642:

  • процессорное ядро: ARM® Cortex®-R4F с рабочей частотой 200 МГц;
  • сопроцессор: C674xDSP с рабочей частотой 600 МГц;
  • приемопередатчик: FMCW с диапазоном частот 76…81 ГГц;
  • число приемников: 4;
  • число передатчиков: 2 мощностью 12 дБм;
  • периферия: 6 каналов АЦП, 2 канала SPI, 2 канала UART, I2C, CAN, LVDS;
  • питание: 1,8 В до 850 мА (синтезатор частоты, APLL VCO, кварцевые резонаторы, усилители IF-сигнала, АЦП, LVDS); 1,3 В до 2 000 мА (мощные усилители, малошумящие усилители, микшер преобразователь частоты); 3,3/1,8 В до 50 мА (цифровые входы-выходы);1,2 В – до 1 000 мА (ядро и ОЗУ);
  • диапазон рабочих температур: -40…+105°C;
  • корпус: 18,3 x 31,1 x 3,0 мм.
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
IWR1443BOOST
IWR1443BOOST
Texas Instruments
Арт.: 2295122 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
Оценочный модуль однокристального радарного датчика приближения миллиметрового диапазона IWR1443.
IWR1443BOOST 26920,00
-
Поиск
предложений
XI1642QGABL
XI1642QGABL
Texas Instruments
Арт.: 2301824 ИНФО PDF AN
Поиск
предложений
Радиотрансивер Single-Chip 76-to-81GHz mmWave Sensor Integrating DSP and MCU 161-FC/CSP -40 to 105
XI1642QGABL 7090,33
-
Поиск
предложений
IWR1642
IWR1642
Texas Instruments
Арт.: 2302840 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
Промышленный датчик приближения с микропроцессорным ядром ARM Cortex R4F и цифровым сигнальным процессором C67x. IWR1642 отличается наличием четырех приемников и двух передатчиков.
IWR1642
-
Поиск
предложений
IWR1443
IWR1443
Texas Instruments
Арт.: 2302841 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
Промышленный датчик приближения с микропроцессорным ядром ARM Cortex R4F и аппаратным ускорителем для радиолокационных приложений. В состав микросхемы входят четыре приемника и три передатчика.
IWR1443
-
Поиск
предложений
IWR1642BOOST
IWR1642BOOST
Texas Instruments
Арт.: 2302842 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
Законченный отладочный набор для датчика IWR1642
IWR1642BOOST 26920,00
-
Поиск
предложений
AWR1642BOOST
AWR1642BOOST
Texas Instruments
Арт.: 2321785 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
Законченный отладочный набор для датчика AWR1642
AWR1642BOOST 36159,09
-
Поиск
предложений