Tecnologie radar per la sicurezza

Gli incidenti mortali sulle strade sono in aumento a livello mondiale. Nel 2010 1.240.00 persone hanno perso la vita in incidenti stradali nel mondo in quella che è diventata, secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità, l'ottava causa di mortalità su scala mondiale. Nei paesi sviluppati, i sistemi di sicurezza passiva, le cinture di sicurezza, gli airbag e le zone di deformazione programmata si sono rivelati estremamente importanti per far diminuire il numero di morti e di feriti gravi sia tra i passeggeri a bordo delle vetture sia tra i pedoni. Anche nelle regioni più sviluppate del mondo – dove è in aumento la connessione dei veicoli, che forniscono al conducente una quantità crescente di informazioni – gli analisti indicano nella distrazione dei conducenti una vera e propria fonte potenziale di morti e feriti gravi a causa di incidenti automobilistici. La domanda di sistemi di sicurezza automobilistica più avanzati aumenta di anno in anno. Mentre l'industria automobilistica a livello mondiale si sta impegnando a fondo per raggiungere l'obiettivo di zero decessi provocati da incidenti stradali e la domanda dei consumatori e normative a livello statale puntano al miglioramento degli standard di sicurezza in campo automobilistico, nelle vetture di ultima generazione si sta imponendo l'uso di sistemi di sicurezza attivi e predittivi per evitare gli incidenti. La diffusione dei sistemi Adas (Advanced Driver Assistance Systems) - come il controllo elettronico della stabilità, le telecamere posteriori e i sistemi di rilevazione dei pedoni basati sulla visione - è stata resa possibile dai miglioramenti introdotti nei microcontrollori e nei sensori. Soluzioni embedded più avanzate basate su radar forniscono funzioni di sicurezza complementari ai progettisti di sistemi Adas.

Sistemi di sicurezza basati su radar

Nella previsione che sistemi Adas più avanzati diventeranno obbligatori a norma di legge nel prossimo futuro a seguito della promulgazione di leggi relative alla dotazione di telecamere posteriori nelle autovetture e di sistemi Aeba (Advanced emergency brake assist) nei veicoli commerciali, Freescale ha messo a punto nuovi prodotti a supporto di queste applicazioni quanto mai necessarie. I sistemi di sicurezza basati su radar rilevano i punti ciechi, aiutano ad evitare possibili impatti laterali e permettono tramite l'uso di radar anteriori a medio e lungo raggio un controllo adattativo della velocità di crociera. Freescale è leader di mercato nel comparto delle soluzioni embedded basate su radar e dispone di un team di progettisti altamente qualificati che studiano innovazioni negli Mcu embedded e nei circuiti integrati a onde millimetriche 77 GHz pensati specificamente per le applicazioni radar. Un modulo radar standard si compone di una soluzione di trasmissione (Tx), di un oscillatore comandato in tensione e di un circuito integrato ricevente a tre canali (Rx), uniti a un microcontrollore. I chip sono connessi attraverso il segnale di oscillatore locale (LO), intorno a 38 GHz. Il controllo di ogni singolo chip viene effettuato da un bus SPI (serial peripheral interface). Il controller principale nonche’ master di modulazione è un singolo Mcu che comprende convertitori analogico-digitali ad alta velocità e una funzionalità adeguata di elaborazione dei segnali quale la Fft (Fast Fourier Transforms). Freescale ha lanciato i prodotti embedded basati su radar di nuova generazione con il microcontrollore Qorivva MPC577xK e con il radar transceiver chipset MR2001 77 GHz. Il radar transceiver chipset si compone di un Vco (MR2001VC), di un trasmettitore Tx a due canali (MR2001TX) e di un ricevitore Rx a tre canali (MR2001RX). Questi nuovi prodotti formano un sistema radar embedded completo per i design automobilistici. Queste soluzioni radar estremamente avanzate vanno a integrare la serie esistente di soluzioni Adas ad alte prestazioni di Freescale. Per esempio, i prodotti embedded telecamera/video come la famiglia Icp (Image cognition processor) SCP220x e il microcontrollore MPC5604E sono stati messi a punto per realizzare un'elaborazione avanzata della visione al fine di migliorare la rilevazione di oggetti, che si tratti di altre vetture o di pedoni. Con la commercializzazione dei nuovi prodotti basati su radar, Freescale dispone di una soluzione Adas completa in grado di soddisfare le esigenze delle case automobilistiche. Nel presente white paper vengono illustrati i vantaggi offerti dal microcontrollore MPC577xK sia dal punto di vista tecnico che dell'ottimizzazione della distinta base.

Integrazione e prestazioni senza pari

Molti sistemi radar utilizzati attualmente sono incentrati sul microcontrollore Qorivva MPC577xK, compresi Fpga, Adc, Dac, Sram esterni e front-end analogici per la ricezione e la trasmissione. Il prodotto MPC577xK è stato progettato specificamente per abilitare un sistema basato su radar economico e dalle prestazioni elevate in una soluzione single-chip. Il vantaggio in termini di costo offerto dalla famiglia MPC577xK deriva da livelli elevati di integrazione digitale e analogica all'interno di un singolo package 356 Bga, per cui viene meno la necessità di disporre di Fpga, Adc, Dac e Sram esterni, riducendo di conseguenza il numero di componenti necessari, le dimensioni dei Pcb e la complessità del software. In aggiunta ai due core di elaborazione e200z7 266 MHz, il microcontrollore comprende anche un Spt (Signal processing toolbox) estremamente avanzato che contiene i moduli hardware necessari per l'elaborazione di segnali campionati provenienti da applicazioni radar a corto, medio e lungo raggio. Lo Spt è un potente motore di elaborazione che comprende operazioni di elaborazione di segnali ad alte prestazioni basate su un set di istruzioni specifiche. La sua programmabilità è garanzia di flessibilità: la Cpu viene sollevata dal compito di gestire spesso operazioni hardware pur continuando a controllare e a interagire con il flusso di elaborazione; il microcontrollore altamente integrato riduce il numero totale di componenti richiesti, le dimensioni della scheda dei circuiti stampati e la complessità del software; un Mcu di facile utilizzo con acceleratore Fft integrato; memorie ad alta densità per supportare applicazioni radar scalabili; supporta sistemi open loop e phase-locked looped che favoriscono la flessibilità di progettazione; la riduzione della dissipazione di potenza aumenta l'efficienza energetica; assiste i produttori ad essere conformi con le norme di functional safety Iso 26262 Asil-D

Prestazioni elevate e scalabilità multicanale

Il radar transceiver chipset MR2001 77 GHz è una soluzione a tre package espandibile ad alte prestazioni per moduli radar utilizzati nel settore automobilistico. Il chipset si compone di un Vco, di un trasmettitore Tx a due canali e di un ricevitore Rx a tre canali. Ciascuno di questi tre componenti è singolarmente inserito in un package di 6 x 6 mm, fan-out wafer level su un pitch di 500 μm. Questa tecnologia basata su package è ideale per le applicazioni radar 77 GHz poiché presenta un livello estremamente basso di attenuazione di inserzione e di correnti parassite a frequenze che possono raggiungere 100 GHz. Il chipset pacchettizzato semplifica l'assemblaggio del modulo radar da parte dell'utente finale in quanto non è necessario l'uso di tecniche di assemblaggio di chip e fili per il bare die. Inoltre, il chipset può scalare agevolmente fino a quattro canali Tx e a 12 canali Rx, per cui una singola piattaforma radar è in grado di orientare il fascio elettronico all'interno di un ampio campo visivo e di supportare applicazioni radar a corto, medio e lungo raggio in una vasta gamma di autovetture, dalle utilitarie ai modelli di lusso. Tecnologia di pacchettizzazione avanzata Il radar transceiver chipset MR2001 è stato messo a punto con una tecnologia di pacchettizzazione avanzata che garantisce prestazioni eccellenti sul piano termico ed elettrico. Il package è qualificato secondo norme automobilistiche molto severe tra cui l’affidabilità dei giunti di saldatura, cicli di temperatura e umidità e prestazioni Emc. La tecnologia di pacchettizzazione è disponibile per i principali fornitori ed è compatibile con le disposizioni di riduzione delle sostanze pericolose contenute nella Direttiva europea RoHS.

Radar open loop

Il microcontrollore MPC577xK e il radar transceiver chipset pacchettizzato MR2001 77 GHz sono stati progettati per supportare un sistema radar open loop. In sistemi di questo tipo, non è necessaria la presenza di un anello ad aggancio di fase per generare segnali di chirp lineari (modulazione FMCW), il che contribuisce ad abbattere i consumi energetici. Generalmente il concetto di open loop viene utilizzato congiuntamente a una modulazione FMCW rapida dei segnali di chirp in un tempo compreso tra 10 e 100 μs. Sistemi veloci di modulazione dei segnali di chirp abbreviano il ciclo di lavoro e migliorano il rapporto segnale-rumore (SNR) di un sistema radar poiché un'immagine radar completa viene intercettata più rapidamente. Lo svantaggio potenziale legato a elevate frequenze in banda base sta nel fatto che siano necessari una maggiore larghezza di banda analogica e maggiori frequenze di campionamento dell'Adc. Il microcontrollore MPC577xK risolve questo problema potenziale perché integra fino a 8 ƩɅ-Adc con una larghezza di banda di 5 Mhz e un clock di campionamento interno da 320 Mhz. In un sistema radar open loop il microcontrollore è il chirp master e un convertitore analogico-digitale fornisce la tensione di sintonia al Vco. Sulla base di questo valore di tensione, il Vco genera un segnale ad alta frequenza che a sua volta comanda trasmettitori e ricevitori. Durante il normale funzionamento, vengono trasmessi segnali di chirp lineari e ricevuti segnali riflessi. I ricevitori e il trasmettitore sono disposti in un sistema omodina, per cui i segnali ricevuti vengono convertiti direttamente nella banda base. Successivamente questi segnali di banda base sono filtrati e amplificati (nei chip di ricezione sono implementati filtri e amplificatori a guadagno variabile) e inviati in modo differenziato al ƩɅ-Adc del microcontrollore MPC577xK. La conversione in forma digitale dei segnali di banda base, l'applicazione del metodo della formazione del fascio digitale e l'uso di Fft e di algoritmi di tracking permettono di rilevare oggetti in base a distanza, velocità e angolazione.

Le applicazioni radar

Il microcontrollore MPC577xK è adatto alle applicazioni radar che potrebbero richiedere fino a un massimo di 8 antenne ciascuna, con l'acquisizione simultanea di un massimo di 2048 possibili campioni che vengono successivamente convertiti da un ƩɅ-Adc 12 bit a una velocità di campionamento che può raggiungere i 10 milioni di campioni al secondo per segnale di chirp. Questo risultato può essere ottenuto tramite la nuova architettura Adc a 8 canali di Freescale unitamente al filtro decimatore flessibile/programmabile e a filtraggio anti alias incorporato. Il prodotto è stato anche progettato con un ottimo grado di immunità al rumore di substrato ed è completamente isolato dalle altre periferiche del microcontrollore pur conformandosi agli obiettivi di un consumo energetico ridotto per le applicazioni a basso consumo. Dopo aver acquisito un ciclo di misurazione che potrebbe consistere di 256 segnali di chirp, questi dati vengono pre-elaborati utilizzando un blocco di acquisizione dati on-chip e raggruppati in base alle antenne. Successivamente i campioni vengono trasmessi alla Sram del sistema utilizzando l'accesso diretto alla memoria. Il modulo di acquisizione dati riceve i campioni dal Sdadc e li estrae nella finestra di acquisizione. Dopo l'acquisizione di tutti i dati relativi a un segnale di chirp, i dati vengono trasferiti alla Sram locale dello Spt tramite il motore Dma programmabile e trasformati in base alla frequenza attraverso il nuovo motore Fft embedded. Il modulo Fft accelerato a livello hardware è in grado di eseguire Fft complesse e reali di lunghezza configurabile nonché un'operazione di windowing che può essere calcolata con i dati. Il modulo Fft è in grado di eseguire Fft a numeri interi 16-24 bit fino a 4000 punti e dati reali 2x per complesso. A fini di ulteriore elaborazione, i dati possono essere trasferiti nella Sram del sistema o direttamente alle memorie locali Tcm (Tightly coupled memories) della Cpu, dove possono essere elaborati dai core e200z7 che utilizzano Spe2 (una unità di esecuzione di numeri interi Simd a quattro vie 16 bit) oppure Vfpu (una unità Simd in virgola mobile a precisione singola a due vie). Il command sequencer esegue una sequenza di comandi necessari all'elaborazione dei dati radar e, unitamente al nuovo Cte (Cross timing engine), stabilisce le tempistiche dei singoli segnali per il sistema basato su radar e controlla il flusso di elaborazione completo del radar, compreso il front-end analogico. L'integrazione del nuovo Afe ad alte prestazioni comprende anche un nuovo convertitore analogico-digitale con risoluzione 12 bit estremamente avanzato che ha un massimo di 2 Ms/s. Nel sistema basato su radar, il Dac converte la forma d'onda del segnale di chirp in un segnale analogico che controlla un Vco per la conversione tensione-frequenza.

La sicurezza

Come da programma di Freescale SafeAssure, l’MCP577xK è stato progettato con due core ad alte prestazioni e200z7, basati su Power Architecture, per l'elaborazione del segnale e può aiutare i produttori di automobili a raggiungere un minimo Iso 26262 Automotive Safety Integrity Level–B. Oltre a supportare i requisiti di functional safety per l’automotive, ci sono due core e200z4 in una configurazione lockstep specificamente progettato per requisiti di decision-making e safety-critical, contribuendo a realizzare la certificazione Iso 26262 Asil–D. Alcune caratteristiche chiave di sicurezza aggiuntive includono self-test on-line della logica integrata e built-in self-test per la memoria, end-to-end correcting code, generatore interno di clock e power supervisor, e un modulo di faulure handling, che aiutano i clienti a ottenere la certificazione Asil - D.

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