Egal ob in Robotik-Anwendungen, bei der Personendetektierung, in Drohnen, der intelligenten Straßenbeleuchtung oder eben in der präzisen Füllstandsmessung kommt die Milimeter-Sensortechnik vermehrt zum Einsatz (Bild 1). In der Industrie wird dabei auf das Frequenzband von 75 GHz bis 85 GHz umgestellt, weil es kleinere Abmessungen ermöglicht, die Richtwirkung der Antennen besser ist, eine größere Bandbreite geboten wird und sich Vorteile für die Leistungsfähigkeit ergeben. Die Anforderungen von Millimeterwellen-Sensoren hinsichtlich des Speichers für den Radar-Datenwürfel, der Verarbeitungsleistung des Prozessors und der Überwachung der funktionalen Sicherheit sind je nach Anwendung unterschiedlich.

Bild 1: Millimeterwellen-Sensoren kommen in Anwendungen von der Detektierung von Personen, über Drohnen und Robotik bis hin zur präzisen Füllstandsmessung vermehrt zum Einsatz.

Bild 1: Millimeterwellen-Sensoren kommen in Anwendungen von der Detektierung von Personen, über Drohnen und Robotik bis hin zur präzisen Füllstandsmessung vermehrt zum Einsatz. Texas Instruments

Der Millimeterwellen-Sensor IWR1443 enthält das gesamte Millimeterwellen-HF-Front-End und die analoge Basisband-Signalkette für bis zu drei Sender und vier Empfänger sowie eine kundenseitig programmierbare MCU und einen Hardwarebeschleuniger für die Signalverarbeitung. Das Hochleistungs-Front-End erzeugt extrem lineare High-Speed-Rampen und unterstützt einen komplexen Basisband-Teil mit einer großen ZF-Bandbreite für schnelle FMCW-Radarsysteme (frequenzmoduliertes Dauerstrichradar). Das Millimeterwellen-Verarbeitungs-Subsystem IWR1443 unterstützt Anwendungen mit moderaten Anforderungen an den Speicher und die Verarbeitungsleistung. Die hier gegebene Kombination aus präzisem Front-End und eingebauter Verarbeitung eignet sich ideal für die Füllstandsmessung von Flüssigkeiten, in denen die Genauigkeit höchste Priorität hat. Aus den eindimensionalen Szenen resultieren kleine Datenwürfel und Berechnungen von überschaubarer Komplexität.

Allgemeine Architektur des IWR1443

Bild 2: Der Sensor IWR1443 ist in drei Subsysteme aufgeteilt: HF/Analog-, Funkprozessor- und Master-Subsystem.

Bild 2: Der Sensor IWR1443 ist in drei Subsysteme aufgeteilt: HF/Analog-, Funkprozessor- und Master-Subsystem. Texas Instruments

Die Millimeterwellen-Sensoren des Typs IWR1443 sind hochintegrierte Single-Chip-Millimeterwellensensoren für 77 GHz, die drei Sende- und vier Empfangs-Ketten, einen anwenderprogrammierbaren, mit 200 MHz getakteten ARM-Cortex-R4F-Prozessor und einen Radar-Hardwarebeschleuniger enthalten. Bild 2 lässt die Aufteilung des Bausteins in drei Subsysteme erkennen: das HF/Analog-Subsystem, das Funkprozessor-Subsystem und das Master-Subsystem. Das HF/Analog-Subsystem umfasst die HF- und Analogschaltungen, also den Synthesizer, den Leistungsverstärker (Power Amplifier, PA), den rauscharmen Verstärker (Low-Noise Amplifier, LNA), den Mischer, den ZF-Verstärker und den A/D-Wandler (ADC). Auch ein Quarzoszillator und Temperatursensoren gehören zu diesem Subsystem. Die FMCW-Chirp-Erzeugung erfolgt direkt in dem geregelten 20-GHz-Frequenzsynthesizer.

Das Funkprozessor-Subsystem besteht aus dem digitalen Front-End, dem Rampengenerator und einem internen Prozessor zum Steuern und Konfigurieren der einzelnen HF- und Analogfunktionen sowie der Rampengenerator-Register auf der Basis genau definierter API-Nachrichten (Application Programming Interface) vom Master-Subsystem. Für die Filterung und Dezimation des rohen Ausgangssignals des Sigma-Delta-ADC wird das digitale Front-End verwendet, welches die finalen n ADC-Datenproben mit einer programmierbaren Abtastrate liefert.

Zum Master-Subsystem der Millimeterwellen-Senoren gehört der mit 200 MHz getaktete, vom Kunden programmierbare ARM-Cortex-R4F-Prozessor. Dieser Prozessor steuert die allgemeine Arbeitsweise des Bausteins, implementiert die Signalverarbeitung (unterstützt vom HF-Hardwarebeschleuniger) und konfiguriert die Front-End-Sende- und Empfangsoperationen über genau definierte API-Nachrichten, die über ein Mailbox-Interface an den Funk-Prozessor geschrieben werden. Der Millimeterwellen-Baustein kann als autonomer Sensor operieren und über das CAN-Interface mit einem CAN-Bus (Controller Area Network) ebenso kommunizieren wie über das Serial-Peripheral-Interface (SPI). Der Baustein enthält eine Vierfach-SPI-Schnittstelle (QSPI), über die sich kundenseitiger Code direkt aus einem seriellen Flash-Speicher herunterladen lässt. Alternativ kann der Baustein unter der Kontrolle eines sensorinternen Hosts (zum Beispiel einer externen MCU) arbeiten, der per SPI mit dem Baustein kommunizieren und Befehle an ihn übergeben kann. Auch das Herunterladen von Code ist über dieses Interface möglich. Ein zusätzliches SPI/I²C-Interface (Inter-Integrated Circuit) steht für die Steuerung eines PMIC (Power-Management-IC) zur Verfügung, wenn der IWR1443 als autonomer Sensor verwendet wird. Im IWR1443 stehen vier Schnittstellen (ein CAN, ein I²C und zwei SPI) für die Kommunikation und die PMIC-Steuerung zur Verfügung, jedoch können jeweils nur zwei dieser Schnittstellen gleichzeitig verwendet werden.

Insgesamt steht im Master-Subsystem eine Speicherkapazität von 576 KB zur Verfügung. Dieser teilt sich auf in das Programm- und Code-RAM für den R4F-Kern und den Speicher für die Radardaten. Maximal sind für den R4F-Kern 448 KB verfügbar, der sich auf die Tightly-Coupled-Memories (TCM) des Kerns aufteilt: TCMA mit 320 KB und TCMB mit 128 KB. Die gesamten 448 KB sind durchgängig und können wahlweise für Programme und Daten zum Einsatz kommen – typische Anwendungen aber nutzen TCMA als Programmspeicher und TCMB als Datenspeicher.

 

Wie sich eine hochgenaue Entfernungsmessung zur Füllstandsüberwachung realisieren lässt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

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