毫米波传感器在智能工业的应用

从定位和邻近度测量，到确定液面位置和光照强度，传感器解决方案为我们提供了一个感测、数字化表达和处理周围世界的途径。特定的应用问题已经催生出大量不同的传感器技术，使得系统能够在各种各样的条件下，以不同的精度等级来感测周围情况。随着近期智能基础设施的兴建，工厂内的工业4.0 （Industry 4.0）、楼宇自动化产品，以及自动驾驶无人机等更新型应用的兴起，开发人员正期待传感器能够将系统性能和效率提升到全新水平。

设备上配备的毫米波 （mmWave） 雷达技术专门用来在短距离 （5cm） 到长距离（150m以上）范围内实现探测功能，这项技术本身可以探测快速运动物体（速度高达300kph）的范围、速率和运动角度，而它的精度不受周围光照、下雾、降雨和灰尘的影响。图1是范围、速率和运动角度信息的可视化示例。

毫米波传感器技术在汽车领域非常成功，不过设计人员目前正在解决这项技术扩展至其它市场时所面临的挑战，比如说楼宇和工厂自动化应用领域。所遇到的问题是，此前的雷达系统都是分立式设计，导致了复杂的硬件设计和软件开发，提高了准入门槛。

图1：一个停车场内来自毫米波传感器的范围、速率和角度信息：蓝色背景图表是范围/速率热图（在这幅图中，你可以识别出移动/静止的物体和它们的速率）；绿色背景图表是范围/角度可视化图；彩色方框标出了场景和图表内移动和静止的车辆及行人

图2显示的是一个分立式毫米波雷达系统。一个雷达信号处理链需要多个集成电路 （IC） 组件，其中包括一个射频 （RF） 前端和一个数字处理后端。设计分立式雷达系统需要给予特别的关注，并且要考虑多个注意事项，以解决在一块印刷电路板 （PCB） 上发送高速雷达数据的问题，诸如微控制器单元 （MCU） 等的中央控制器必须将控制信号按照一定路线发送给这些独立组件。这些系统对于外部电磁干扰 （EMI） 非常敏感，这使它们很难针对特定的“嘈杂”环境和挑战性更高的室外环境进行设计 。

分立式雷达系统也对软件设计人员提出了挑战。主机MCU的配置和控制信号需要发送至每个RF和数字处理组件，以确保系统能够针对不断变化的环境条件和应用需求最优地控制每个组件，而这需要大量的软件设计和开发策略。

图2：分立式毫米波雷达系统示例。每个彩色方框代表射频前端或数字处理后端内的一个独立IC或一组IC

如图3所示，TI的单芯片IWR1x 毫米波传感器产品组合将毫米波雷达射频技术与强大的ARM® MCU和TI数字信号处理 （DSP） 集成在一起，实现了简单的单芯片解决方案，降低了毫米波感测的准入门槛。借助TI的单芯片10mmx10mm IWR1x传感器，你不用再去处理分立式前端、模数转换器和处理器件之间的复杂高速数据和通信走线，也不用处理额外尺寸、功率和支持它们的相关物料清单成本。这个集成度还简化了软件设计过程，从而极大简化了器件配置、监控和校准。

图3：TI的IWR1x 毫米波传感器将单芯片毫米波感测所必需的全部组件集成在一起，以简化硬件和软件设计。

毫米波对应用的影响

液位感测是工厂内仓储和测量不同化学品的一个重要部分。由于这些化学品具有腐蚀性或毒性，必须在非直接接触的情况下测量剩余的液体体积。mmWave感测提供高精度测量值，并且在灰尘、烟雾或极端温度等环境条件下具有稳健耐用性。IWR1x 射频前端是高度线性的，其超宽（连续4GHz，5GHz拼接）带宽可以在深度1m至80m的液罐内实现极精确的亚毫米测量值。针对77GHz级发射器参考设计的功率优化设计给出了如何优化在4-20mA功率受限系统内运行的IWR1443。

交通监控基础设施的目的在于，通过掌握与车辆和行人有关的特定信息和遥感数据，对路口的情况做出及时应对，并且搜集交通统计数据，以提高运输效率。毫米波传感器可以实现对车辆位置和速率的测量，并且能够探测速率高达300kph、距离在150m和更远范围以外的物体。

无人机已被广泛采用，从爱好者的飞行竞技，到大量行业内的商业用途，比如包裹投递和林业领域应用。为了实现安全性、提高平台的生产力，设计人员面临诸多挑战，包括使无人机能够探测障碍，并且在最危险的飞行情况下为操作人员提供辅助。无人机要求高速物体探测功能，并且能够在100m距离内跟踪大小为数厘米的物体，比如当无人机接近地面或在物体周围运行时。由于无人机是由电池供电运行的，为了延长飞行时间和提高有效负载，解决方案应尺寸小巧、重量轻。

目前提供的IWR1443BOOST和IWR1642BOOST评估模块可以轻松评估毫米波雷达技术，并且显示如何在多种工业感测应用中使用范围、速率和角度数据。通过使用具有TI提供的mmWave软件开发套件 （SDK） 的评估模块，你可以运行现成可用的演示程序，或者在几分钟内为你的开发定制示例代码。同时提供的还有示例源代码，展示了TI高精度毫米波感测和处理的更多使用情况， 比如水体与地面之间的分类，以及心率和呼吸频率的非接触式测量。