Интегральный радар A111 со встроенной антенной от Acconeer

Радар A111 от компании Acconeer объединяет в одном корпусе интегральную микросхему, принимающую и передающую антенну. Схема подключения интегрального радара отличается максимальной простотой и требует всего нескольких внешних пассивных компонентов. При этом радары A111 позволяют не только определять расстояния до объектов с миллиметровой точностью, но и измерять амплитуду принимаемой ВЧ-волны
6242
В избранное

Ранее в разделе Унитера мы уже публиковали статью Интегральные радары от компании Silicon Radar, посвященную интегральным радарам. На этот раз мы рассмотрим интегральный радар A111 от компании Acconeer. Принципиальная разница между этими продуктами заключается в том, что радары TRX_120_001 и TRX_120_002 от компании Silicon Radar способны работать на значительных дистанциях (до 10 м без линзы и до 100 м с линзой) и представляют собой аналоговые интегральные системы, требующие достаточно сложной внешней обвязки и внешней системы цифровой обработки сигналов. В то же время интегральный радар A111 предназначен для работы с объектами на удалениях до 2 м и представляет собой законченную цифроаналоговую систему (рис. 1).

Интегральный радар A111 со встроенной антенной от Acconeer

Рис. 1. Интегральный радар A111 со встроенной антенной от Acconeer

Технологии измерения у радаров TRX_120 и A111 также отличаются. Если в TRX_120 применяется технология FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave) с непрерывной генерацией сигнала и линейной модуляцией частоты, то в A111 используется технология PCR (Pulsed Coherent Radar) с импульсной генерацией ВЧ-волн. Основным преимуществом FMCW является сверхвысокая точность измерений, однако расплатой за это становится высокое потребление и жесткие требования к производительности системы обработки сигналов. Принцип действия PCR-радаров напоминает работу традиционных ультразвуковых ToF-датчиков. Радар посылает прямую ВЧ-волну и измеряет время до прихода отраженной волны. Зная время пролета, можно рассчитать расстояние до объекта. При этом в отличие от FMCW излучение происходит не непрерывно, а импульсно, за счет чего обеспечивается очень низкое потребление. К сожалению, для достижения высокой точности измерений критически важно гарантировать высокую стабильность частоты следования импульсов и постоянство параметров самих импульсов, что является достаточно сложной задачей. В случае с радаром A111 данная проблема была успешно решена. Радар A111 способен выполнять измерения с точностью до нескольких мм.

Среди ключевых преимуществ интегрального радара A111 можно отметить:

  • наличие встроенной системы цифровой обработки сигналов;
  • наличие встроенных антенн;
  • высокую точность измерений, с погрешностью до нескольких мм;
  • возможность измерения амплитуды отраженных ВЧ-волн, что позволяет также определять материал, из которого изготовлен объект;
  • возможность не только обнаруживать движения объектов, но и измерять их скорость за счет высокой частоты измерений (до 1500 Гц);
  • минимальное потребление (всего 3 мВт при частоте измерений 10 Гц);
  • высокую помехозащищенность. Радары A111 не боятся внешних засветов, помех и загрязнений;
  • простоту схемы включения;
  • возможность одновременной работы нескольких радаров под управлением одного управляющего микроконтроллера.

Рассмотрим эти особенности подробнее. Начнем со структурной схемы (рис. 2). Радар A111 представляет собой гибридное решение, объединяющее в одном корпусе интегральную кремниевую микросхему, а также передающую и принимающую антенны. На интегральной микросхеме реализовано три основных домена: аналоговый домен (система питания и тактирования), цифровой домен и домен ВЧ-приемопередатчика. Встроенная система питания содержит сразу несколько LDO-стабилизаторов, благодаря чему радары требуют всего одного внешнего источника питания с напряжением 1,8 В. Кроме того, для защиты от просадок напряжения используется встроенная схема PoR. Цифровой домен обеспечивает цифровую обработку сигналов и взаимодействие с управляющим микроконтроллером по SPI-интерфейсу на частотах до 50 МГц.

Радар A111 объединяет в одном корпусе кремниевый чип, передающую и приемную антенны

Рис. 2. Радар A111 объединяет в одном корпусе кремниевый чип, передающую и приемную антенны

Стоит особо отметить систему тактирования, которая имеет встроенный ФАПЧ и требует только одного внешнего кварцевого резонатора. Именно стабильность системы тактирования во многом гарантирует высокую точность измерений.

На рисунках 3 и 4 представлены диаграммы погрешностей измерений радара A111 при работе на различных дистанциях. Измерения выполнялись в нормальных условиях при TA = 25 ºC и VDD = 1,8 В. В испытаниях участвовали 20 устройств, каждое из которых выполняло по 100 измерений. В качестве объекта на дистанциях 60…300 мм использовался металлический цилиндр диаметром 40 мм. При испытаниях на дистанциях 1,76…2,0 м использовался металлический цилиндр диаметром 50 мм.

Как видно из рис. 3 радар A111 позволяет работать на расстояниях от 60 мм. Среднее значение погрешности измерения в диапазоне от 60 до 300 мм плавно увеличивается от 0,5 до 1,2 мм.

Диаграмма отклонений при измерении расстояния на минимальных дистанциях от 60 до 300 мм

Рис. 3. Диаграмма отклонений при измерении расстояния на минимальных дистанциях от 60 до 300 мм

На предельных дальностях (около 2 м) усредненная погрешность также оказывается очень низкой – всего 1,2 мм. Амплитуда отклонений также не высока – не более 1,8 мм.

Диаграмма отклонений при измерении расстояния на предельных дистанциях от 1750 до 2000 мм

Рис. 4. Диаграмма отклонений при измерении расстояния на предельных дистанциях от 1750 до 2000 мм

Радары A111 также способны весьма точно измерять амплитуду сигналов. На рисунках 5 и 6 представлены диаграммы погрешностей измерения радара A111 на минимальных и максимальных рабочих дистанциях при нормальных условиях (TA = 25 ºC, VDD = 1,8 В). В испытаниях также участвовали 20 устройств, каждое из которых выполняло по 100 измерений. В качестве объектов измерений использовались те же мишени, что и в предыдущих испытаниях: стальные цилиндры диаметром 40 мм и 50 мм. Как и в случае с измерением расстояний, погрешность A111 при измерении амплитуды оказалась очень низкой.

Диаграмма отклонений при измерении амплитуды на дистанциях от 50 до 300 мм

Рис. 5. Диаграмма отклонений при измерении амплитуды на дистанциях от 50 до 300 мм

Диаграмма отклонений при измерении амплитуды на дистанциях от 1750 до 2000 мм

Рис. 6. Диаграмма отклонений при измерении амплитуды на дистанциях от 1750 до 2000 мм

Стоит отметить, что высокая точность измерений обеспечивается в первую очередь самим радаром A111 и не требует от разработчиков каких-то сверхусилий. Наоборот, электрическая схема подключения для радаров A111 оказывается элементарной (рис. 7). По сути, разработчику необходимо добавить всего лишь несколько пассивных компонентов.

Схема включения радара A111 достаточно проста

Рис. 7. Схема включения радара A111 достаточно проста

Для взаимодействия радара A111 с управляющим микроконтроллером используется SPI-интерфейс с рабочей частотой до 50 МГц. При этом один микроконтроллер может одновременно работать с несколькими радарами (рис. 8).

 При необходимости один управляющий процессор может работать с несколькими радарами A111

Рис. 8. При необходимости один управляющий процессор может работать с несколькими радарами A111

Стоит еще раз сказать о низком потреблении радаров A111. Как уже говорилось выше, технология PCR подразумевает импульсную передачу ВЧ-сигналов. И хотя пиковое потребление тока в момент передачи импульсов для радаров A111 составляет около 71 мА, однако усредненное потребление оказывается достаточно низким и ожидаемо зависит от частоты измерений: 0,2 мВт при частоте опроса 0,1 Гц, 3 мВт при частоте опроса 10 Гц, 20 мВт при частоте опроса 100 Гц. Максимальная частота измерений для радара A111 составляет 1500 Гц, что позволяет измерять не только расстояния до объектов, но и их скорость.

Для того чтобы максимально быстро начать работу с радарами A111, компания Acconeer предлагает использовать готовые модули и отладочные наборы.

XM112 – готовый радарный модуль, который конструктивно представляет собой печатную плату размером 24 х 16 мм (рис. 9). На плате размещен радар A111 и 32-битный микроконтроллер ATSAME70Q20A с процессорным ядром ARM® Cortex®-M7, 384 кб ОЗУ и 2 Мб Flash. Модуль предназначен для подключения к материнской плате с помощью 30-контактного разъема. В качестве отладочной материнской платы может использоваться плата XB112 (рис. 9). XB112 получает питание от USB-порта компьютера и позволяет настраивать модуль XM112 с помощью фирменного ПО Acconeer RSS.

 Модуль XM112 и плата XB112

Рис. 9. Модуль XM112 и плата XB112

При совместном использовании модуль XM112 и плата XB112 представляют своего рода отладочный комплект, но для полноценного знакомства с радарами A111 лучше подойдут наборы XC111 и XC112 (рис. 10). Эти наборы состоят из двух типов плат: материнских плат и плат радаров. Для работы с ними могут использоваться различные одноплатные компьютеры, в частности Raspbery Pi. Подробнее о работе с этими наборами можно узнать из руководств, например, здесь и здесь.

Для ознакомления с возможностями радаров A111 следует использовать отладочные наборы

Рис. 10. Для ознакомления с возможностями радаров A111 следует использовать отладочные наборы

В заключение хотелось бы рассмотреть перспективы использования радаров A111 в различных приложениях.

  • Роботы и дроны. С помощью радаров A111 дроны смогут совершать мягкую посадку и избегать столкновений с подвижными и неподвижными препятствиями. Радары A111 способны распознавать типы материалов, из которых изготовлены объекты, что является очень полезной функцией для ряда приложений. Например, робот-пылесос сможет автоматически подстраивать свою мощность, исходя из типа покрытия пола, а газонокосилка сможет отличить человека (или животное) от травы.
  • Мобильные телефоны и портативные устройства. Радары A111 могут использоваться для создания интерфейса с пользователем, например для реализации систем управления жестами. Функция измерения расстояния до объектов будет крайне полезной для систем автофокусировки фото и видеокамер.
  • Интернет вещей. В данном случае речь идет об использовании радаров A111 в широком спектре приложений: датчики парковки, датчики присутствия и т.д.
  • Промышленность. В промышленных приложениях будет востребована как высокая точность радаров A111 (концевые датчики, датчики скорости и приближения), так и их способность определения материалов объектов (аварийные датчики присутствия, датчики обнаружения скрытой проводки или арматуры).
  • Автомобильные приложения. В данном случае речь идет о системах автоматического управления автомобилем, патронниках, мультимедийных системах с управлением жестами, датчиках измерения уровня топлива (и прочих технологических жидкостей) и т.д.

Характеристики микросхемы радара A111-001-TY:

  • Радиус действия: 2 м;
  • Частота модуляции: 60 ГГц;
  • Интерфейс: SPI (50 МГц);
  • Ток потребления: 71 мА (режим передачи);
  • Средняя потребляемая мощность: 0,2 мВт (частота опроса 0,1 Гц), 3 мВт (частота опроса 10 Гц), 20 мВт (частота опроса 100 Гц),
  • Напряжение питания: 1,8 В;
  • Диапазон рабочих температур: -40…85 °С;
  • Габариты: 5,5 x 5,2 x 0,88 мм.

О компании:

Acconeer – шведская компания, специализирующаяся на разработке высокочастотных радарных микросхем.

Производитель: ACCONEER AB
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
A111-001-TY
A111-001-TY
ACCONEER AB
Арт.: 3480659 ИНФО PDF DT
1907,73
Поиск
предложений
Интегральный радар предназначен для работы с объектами на удалениях до 2 м. Представляет собой законченную цифроаналоговую систему, которая объединяет в одном корпусе кремниевый чип, передающую и приемную антенны.
A111-001-TY 1907,73
-
Поиск
предложений
XM112
XM112
ACCONEER AB
Арт.: 3480660 ИНФО PDF
Доступно: 152 шт. 8964,48
Выбрать
условия
поставки
Готовый радарный модуль представляет собой печатную плату размером 24х16 мм. На плате размещен радар A111 и 32-битный микроконтроллер ATSAME70Q20A.
XM112 8964,48
152 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XB112
XB112
ACCONEER AB
Арт.: 3480661 ИНФО PDF
Доступно: 52 шт. 10080,05
Выбрать
условия
поставки
Отладочная материнская плата для подключения модуля XM112
XB112 10080,05
52 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XC111
XC111
ACCONEER AB
Арт.: 3480662 ИНФО PDF
28343,82
Поиск
предложений
Connector Board for XR111
XC111 28343,82
-
Поиск
предложений
XC112
XC112
ACCONEER AB
Арт.: 3480663 ИНФО PDF
Доступно: 18 шт. 25307,69
Выбрать
условия
поставки
The XC112/XR112 Evaluation Kit (The EVK) is a development platform featuring Acconeer’s A111. This is an optimized low-power, high-precision 60 GHz radar in one package solution with integrated Baseband, RF front-end and Antenna.
XC112 25307,69
18 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()