單芯片雷達(dá)解決方案簡(jiǎn)化了硬件和軟件設(shè)計(jì)，降低了進(jìn)入門檻

交通運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)于在世界各地快速、高效和安全地運(yùn)送乘客和貨物至關(guān)重要。所以運(yùn)輸系統(tǒng)和相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施必須通過收集運(yùn)營(yíng)環(huán)境周圍的數(shù)據(jù)和傳感條件來應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期和實(shí)時(shí)的變化。交通工程師可以使用這些數(shù)據(jù)來建立統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并幫助確定未來的基礎(chǔ)設(shè)施投資，而駕駛員也可以使用這些數(shù)據(jù)來幫助管理他們的路線。

到2022年智能交通市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到636億美元以上，這個(gè)信息的價(jià)值是顯而易見的。然而，雖然交通監(jiān)控系統(tǒng)能夠在各種條件下提高運(yùn)輸效率和安全性，但是設(shè)計(jì)人員正面臨著各種傳感方面的挑戰(zhàn)如下。

* 位置和速度測(cè)量：交通數(shù)據(jù)需要提供交通位置（位置）和流量（速度）的知識(shí)。它可能包括距離交叉路口停車欄或接近車速的距離。

* 全天候運(yùn)行：由于交通基礎(chǔ)設(shè)施傳感器大多數(shù)都位于室外，無論天氣如何，它們都必須能夠正常工作。例如，白天和夜晚的各種燈光場(chǎng)景，以及雨天、雪、霧和灰塵等惡劣天氣下的一致功能。

* 在擴(kuò)展范圍內(nèi)進(jìn)行高速物體檢測(cè)：傳感器必須能夠檢測(cè)并測(cè)量更長(zhǎng)距離的更快移動(dòng)的通信量。例如，如果一個(gè)系統(tǒng)能夠感知距離十字路口較遠(yuǎn)的車輛，它可以更好地控制綠色和黃色的持續(xù)時(shí)間，以預(yù)測(cè)傳入的交通量。

* 精度和性能測(cè)量：準(zhǔn)確理解車道位置與傳感器的車距，以及車速對(duì)于流量監(jiān)控基礎(chǔ)設(shè)施的有效運(yùn)行至關(guān)重要。

現(xiàn)有的交通監(jiān)控技術(shù)

目前有多種傳感技術(shù)用于流量：監(jiān)控應(yīng)用。它們服務(wù)干不同的市場(chǎng)，每個(gè)功能都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

* 感應(yīng)回路傳感器：在這些解決方案中，絕緣和導(dǎo)電的導(dǎo)線穿過巷道中的切口。一個(gè)電脈沖通過這根導(dǎo)線，并且由于汽車通過而引起的電感變化指示車輛何時(shí)占據(jù)空間或經(jīng)過。雖然常見并且很好理解，但是感應(yīng)式回路感測(cè)具有以下幾個(gè)缺點(diǎn)。

首先，檢測(cè)僅限干環(huán)路安裝處的“存在”，因此預(yù)測(cè)迎面而來的交通是困難的。其次，系統(tǒng)的規(guī)模要求每個(gè)區(qū)域和車道在交叉路口都有自己的環(huán)路，這是一個(gè)昂貴而復(fù)雜的系統(tǒng)實(shí)施。

最大的缺點(diǎn)是安裝或修理這些系統(tǒng)需要挖掘路面?？紤]到安裝這些系統(tǒng)以及通常較短的使用周期（一到兩年），感應(yīng)環(huán)路系統(tǒng)的總體成本便迅速增加。

* 相機(jī)和基于視覺的傳感器：使用視頻圖像處理器、相機(jī)和基于視覺的傳感器從CMOS圖像傳感器捕獲圖像數(shù)據(jù)，然后，分析這些圖像以確定交通行為。

這些系統(tǒng)不僅可以測(cè)量十字路口和高速公路的交通行為，還可以將實(shí)時(shí)視頻傳輸給運(yùn)營(yíng)商。

然而，環(huán)境條件的變化——日夜循環(huán)、陰影和惡劣的天氣——直接影響到這些系統(tǒng)“看見”的能力。而且，這些視覺挑戰(zhàn)要求具有先進(jìn)的信號(hào)處理和算法，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

基于毫米波雷達(dá)的流置監(jiān)測(cè)

一種在交通監(jiān)控市場(chǎng)獲得吸引力的技術(shù)是雷達(dá)，特別是基于毫米波（mmWave）雷達(dá)技術(shù)的解決方案。毫米波雷達(dá)具有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，包括：對(duì)光線或天氣的不敏感性、與基于視覺的技術(shù)相比更加廣泛的適用范圍，以及更髙的精度、在交通監(jiān)控應(yīng)用中更出色的表現(xiàn)（見圖1）。

圖1 毫米波雷達(dá)通常安裝在交通桿上，不受路況影響

因此，當(dāng)涉及到交通管理系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)時(shí)，毫米波雷達(dá)能夠以各種方式提高運(yùn)輸效率和安全性。

* 在全天候條件下工作：熟悉雷達(dá)應(yīng)用和射頻信號(hào)傳播的人可能知道，雷達(dá)對(duì)變化的環(huán)境條件不敏感。特別的，毫米波有能力穿透和感知不利的天氣條件，如夜間、煙霧、雨水（圖2）。這種能力使得毫米波雷達(dá)成為一個(gè)強(qiáng)大而一致的解決方案，用于在不受控制和變化的環(huán)境中進(jìn)行室外傳感。

圖2 無論天氣條件如何，毫米波雷達(dá)都可以在較大范圍內(nèi)檢測(cè)車輛

* 在擴(kuò)展范圍內(nèi)檢測(cè)高速物體：毫米波雷達(dá)使用77GHz范圍內(nèi)的快速頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)，與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。通過天線設(shè)計(jì)和射頻配置相結(jié)合，可以使77GHz雷達(dá)系統(tǒng)能夠在150m范圍內(nèi)輕松檢測(cè)速度超過100km/h的車輛目標(biāo)。

* 物體測(cè)量精度：集成處理的快速FMCW雷達(dá)能夠在1s內(nèi)多次測(cè)量場(chǎng)景中多個(gè)目標(biāo)反射體的范圍、徑向速度和角度。使用毫米波解決方案的交通監(jiān)控系統(tǒng)可以在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)以高速度分辨率實(shí)時(shí)輕松識(shí)別和跟蹤多輛車輛。

克服雷達(dá)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

然而，實(shí)施雷達(dá)解決方案存在一些挑戰(zhàn)。今天的雷達(dá)解決方案需要多個(gè)分立元件來創(chuàng)建完整的解決方案，包括一個(gè)RF前端和一個(gè)數(shù)字處理后端（見圖3）。

圖3 分立毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)的一個(gè)視圖，該設(shè)計(jì)使用分立的芯片用于射頻前端和數(shù)字處理后端

分立雷達(dá)系統(tǒng)需要像MCU這樣的中央控制器來將控制信號(hào)傳輸?shù)剿蟹至⒃＿@可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI）效應(yīng)，最終導(dǎo)致“嘈雜”的系統(tǒng)。

這種缺乏集成性的系統(tǒng)增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且以犧牲系統(tǒng)尺寸、成本和功耗為代價(jià)。此外，分立雷達(dá)系統(tǒng)在不斷變化的條件和應(yīng)用需求的情況下產(chǎn)生了更多的軟件挑戰(zhàn)。

在76GHz~81GHz頻段工作的新型毫米波雷達(dá)解決方案通過將DSP與基于ARM內(nèi)核的強(qiáng)大MCU集成，克服了上述這些缺點(diǎn)（見圖4）。單芯片解決方案無須在分立前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理部件之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 單芯片解決方案簡(jiǎn)化了毫米波雷達(dá)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

處理鏈僅在DSP上實(shí)現(xiàn)，而ARM處理器可用于追蹤邏輯、對(duì)象分類、流量統(tǒng)計(jì)報(bào)告、I/O功能和傳感器管理等更高級(jí)別的處理及管理功能。

值得注意的是，物體檢測(cè)和跟蹤是理解及分析交通環(huán)境的關(guān)鍵步驟。單芯片解決方案可以提供先進(jìn)的算法，提供實(shí)時(shí)智能來檢測(cè)、跟蹤和分類對(duì)象。

DSP執(zhí)行目標(biāo)聚類和跟蹤算法，處理車輛如何移動(dòng)的數(shù)據(jù)，然后MCU可以對(duì)動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)進(jìn)行智能和實(shí)時(shí)反應(yīng)。單芯片解決方案還有助于實(shí)現(xiàn)小型化應(yīng)用，從而精確測(cè)量物體的范圍、速度和角度。

結(jié)論

毫米波雷達(dá)的獨(dú)特功能使其能夠在傳感器邊緣進(jìn)行髙性能的檢測(cè)和分析，使其成為智能交通監(jiān)控應(yīng)用的理想選擇，同時(shí)，單芯片解決方案降低了進(jìn)入毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)的技術(shù)障礙。