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智能传感器系统实现衔接自动驾驶设计领域的完整解决方案
2020-07-20 17:47:45· 来源：电子说
最初在车内部署安全气囊系统时，气囊通常只配备在驾驶座。汽车制造商很快决定同样要保护其他乘客，因此在副驾驶座以及后座区域（某些情况下）安装了安全气囊。起
最初在车内部署安全气囊系统时，气囊通常只配备在驾驶座。汽车制造商很快决定同样要保护其他乘客，因此在副驾驶座以及后座区域（某些情况下）安装了安全气囊。起初当检测到碰撞时，安全气囊总是全力的展开。虽然气囊系统挽救了不少生命，但很快明显发现，如果坐在副驾驶座的小孩或婴儿被牢牢限制于座位上，气囊带来的伤害可能会超过其提供的保护。
因此，副驾驶座开始加入能手动关闭气囊的设计。但是，驾驶员可能会忘了做这个必要的动作。而且一旦关上气囊，当乘客是成年人时，驾驶员可能会忘了把气囊打开。加入压力传感器系统。
在座椅上加入压力传感器系统后，整个气囊系统通过监控副驾驶座椅上的重量来判断是否关闭系统。这样的做法毋庸置疑，但是制造商很快发现，对于不同的重量，他们需要使用不同的力道来展开安全气囊。而且，座位上的重量来源可能只是一袋杂货。下一步是在展开安全气囊前先了解乘客的姿势。
例如，如果乘客向仪表板倾斜，则安全气囊应以较小的力道展开。有很多方法可以做到这一点。有些公司提供压力传感器织物，该织物可以垫在座椅上并判断出乘客的姿势，甚至能分辨儿童座椅和真人。有些公司则提供能感应乘坐压力和乘坐位置的座位气囊。有些公司提供结合红外摄像机（因为必须在黑暗中工作）的座位传感器，能识别出身体的姿态。
随着时间的推移，压力传感器系统的电子器件，被集成至含有处理器的 IC 中，成本和尺寸都获得缩减。汽车公司现在可以提供一个连接到安全气囊装置的完整系统。虽然自动驾驶汽车已不再需要驾驶座安全气囊系统，但无庸置疑的是，还是需要尽可能在撞车时为乘客提供保护。
了解智能传感器系统
基本传感器系统包含一个可从外部模拟世界收集数据的传感设备。当进行完信号处理（例如放大、滤波或清除），会将生成的模拟数据发送到车内的另一个系统。
智能传感器系统增加了模数电路（A-D），可为运行软件的处理器提供信号，以便分析信号并做出决策（图 1）。有了处理器和软件，该系统便实现了智能化。
然后，数字信号通常会连接到车内的汽车网络系统，其中传感器数据会进一步作为另一个系统的输入。
图 1：比较基本传感器系统与智能传感器系统
以我们的智能安全气囊为例，智能压力传感器系统会实时收集有关乘客的数据，并使用嵌入式处理器上运行的软件对其进行分析。如果由于乘客状况的变化需要向安全气囊系统发送新警报，则智能传感器系统会通过汽车网络发送该警报。安全气囊系统会针对该警报打开或关闭安全气囊，或者修改充气设置来增加或减小安全气囊展开力道。
最后，为汽车市场开发智能传感器系统的各家公司通常会以定制 IC 为目标，进而降低成本、尺寸和功耗。智能传感器的典型特征是，传感设备使用 MEMS 来实现，而其余电路则是采用以 CMOS 技术实现的模拟/混合信号 （AMS） 设计。
衔接多个领域
从小型团队到大型公司，设计人员通过开发定制 IC，将新颖的智能传感器创意推向巿场。这些设计人员，正在重塑用以支持智能传感器系统的设计流程，他们心中怀有新的期望。他们通常在小型团队工作，需要集成的设计流程，以便在尽可能减少开支的同时快速、轻松地开发可正常使用的器件。他们必须能够开发适用系统验证的概念验证，才能利用汽车市场的巨大商机。设计团队需要使用集成式设计流程快速实现产品，从而快速开发出智能传感器系统所需的全部部件，包括：传感元件、模拟电路接口、模数转换逻辑和数字逻辑，而且所有部件的成本比传统 IC 和系统设计更低。
许多设计团队纷纷采用 Tanner 的集成式 IC 设计和验证解决方案来创建智能传感器系统。原因何在？创建智能传感器系统会涉及多个设计领域，因此极具挑战性。但是，在同一硅片（图 2）上创建一个既有采用传统 CMOS IC 流程制作的电子器件，又有 MEMS 传感器的系统似乎并不现实。实际上，许多此类系统会在单个封装中集成多个芯片，将电子器件与 MEMS 设计分开。
图 2:CMOS 版图上的 MEMS 实例（来源：MEMSIC）
Tanner AMS IC 设计流程（图 3）支持单芯片或多芯片技术，因而有助于成功实现器件的设计和验证。
图 3：衔接了 AMS 和 MEMS 设计的自上而下 Tanner 设计流程
在单个芯片上设计电子器件和 MEMS 涉及到如下有趣之处（参见图 2）：
- 电路图可以包含 IC 和 MEMS 器件。IC 器件使用 SPICE 模型进行建模，而 MEMS 器件则采用可直接在物理领域（如机械、静电、流体和磁）建模的行为模型（图 4）。
图 4：电子器件和 MEMS 位于同一电路图上
- 为了支持初始 MEMS/IC 仿真，设计人员可以使用 System Model Builder 以及 SPICE 或 Verilog-A 中的解析方程来创建 MEMS 模型。结合 MEMS 仿真库，设计人员就可以在初始阶段就对整个设计是否符合预期予以验证。
- 利用 MEMS PCell 库，设计人员可以进行版图设计。此外，Library Palette（图 5）提供了许多 MEMS 器件的基本版图生成器，您可以将其用作设计的初始模型。
图 5：用于创建 MEMS 器件版图的 Library Palette。
- 然后，设计人员可以生成一个三维几何模型，以便进行查看、虚拟原型开发，以及导出到有限元分析 （FEA） 工具。
- Compact Model Builder 采用的是降阶建模技术，利用该工具，设计人员可以根据 FEA 结果创建行为模型，并将其用于最终系统级仿真中。
传统上，系统设计的 MEMS 部分从创建 MEMS 器件的三维模型开始，然后在第三方 FEA 工具中分析其物理特性，直到获得满意的结果。但是，设计人员需要二维掩膜才能制造 MEMS 器件。他们如何从三维模型中衍生出二维掩膜呢？他们遵循图 6 所示的 Tanner 以版图为导向的流程，由于三维实体模型是由版图和工艺步骤结合生成的，因此在器件制造过程中的每一步都是可视的，从而降低出错的风险。
图 6：以版图为导向的 MEMS 设计流程
从 L-Edit 的二维掩膜版图开始创建器件。然后，3D Solid Modeler 会利用这些版图和一系列的三维制造工艺步骤，自动生成器件的三维实体模型。导出该三维模型并使用您喜欢的 FEA 工具进行三维分析，如发现任何问题，可以进行迭代。对二维掩膜版图进行适当的修改，然后重复流程。通过这个以版图为导向的设计流程，设计人员可以将精力集中在一个可以工作的 MEMS 器件上，因为他们直接设计用于生产制造的版图，而不是从三维模型进行逆向工作。
增加价值
设计人员使用 Tanner 定制 IC 流程将 MEMS 传感器集成到电子智能传感器系统中。但讽刺的是，将整个系统置于 IC 上将却导致价格降低。因此，团队正在寻找创造更高利润系统的方法。其中一种方法是传感器融合：开发一个包含多个传感器的系统，从而创造具有更高价值的产品。
以我们的压力传感器系统为例，设计人员可使用陀螺仪传感器将即将发生的翻车解决方案加入 IC 中，通过陀螺仪传感器将讯号传送至安全带系统，以便在发生事故时自动收紧安全带。此外，团队可以加入一个加速计传感器，这有助于在不依赖乘客姿势的条件下计算出安全气囊展开力道。通过在系统中融合三种传感器并加入软件实现智能化，公司就能以更高的价格将这个多维度的解决方案提供给汽车制造商。
重点回顾
阅读到有关自动驾驶的奇特系统虽然令人感到兴奋，但其实单一用途的智能传感器系统，才是真正实现自动驾驶的关键。这些系统通常采用在业界使用多年的专用传感器。创建智能传感器系统会涉及多个设计领域（模拟、数字、MEMS 和潜在 RF），因此极具挑战性。设计团队纷纷采用 Tanner 的集成式 IC 设计和验证解决方案来创建智能传感器系统，因为它是一个可用于衔接这些设计领域的完整解决方案，从而可以成功实现产品开发。
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