Industrielle 77-GHz-Millimeterwellen-Sensoren

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. 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. 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.

Geregelte Frequenzsynthese mit Chirp-Stitching

Für präzise industrielle Prozesssteuerungen verlangt die Füllstandsmessung nach einer hochgenauen Entfernungsmessung, um beispielsweise den Verbrauch einer Flüssigkeit exakt zu überwachen und etwaige Leckagen oder Überläufe frühzeitig zu entdecken. Mehrere Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Entfernungsmessung eines Millimeterwellen-Sensors – so zum Beispiel die HF-Bandbreite, der Signal-Rauschabstand (SNR), Form und Stabilität des Radarziels und Fehler in der Radarmodulation. Letztere stehen bei einem FMCW-Radar im Zusammenhang mit der Nichtlinearität der Rampenerzeugung und dem Phasenrauschen des Bausteins. Der Frequenzerzeugungs-Block wird dadurch zu demjenigen Funktionsabschnitt, der am wichtigsten für das Erzielen einer hohen Genauigkeit ist, denn er legt in der Regel die Grenzen für die Linearität, das Phasenrauschen und die HF-Bandbreite fest.

Typische FMCW-Radarsysteme nutzen einen ungeregelten, von einem D/A-Wandler (DAC) angesteuerten VCO (Voltage-Controlled-Oscillator) zum Erzeugen der Radarrampen. Dieses Verfahren hat über die Zeit erhebliche Nichtlinearitäten und Instabilitäten zur Folge, was den FFT-Spitzenwert verwischt und zu Ungenauigkeiten in der geschätzten Entfernung führt. Diese Ungenauigkeit vergrößert sich mit zunehmender Sweep-Bandbreite, sodass die meisten Systeme auf eine Bandbreite von 2 GHz oder weniger begrenzt sind. Die Millimeterwellen-Sensoren des Typs IWR1443 enthalten eine geregelte PLL-Stufe (Phase-Locked-Loop), welche die Erzeugung äußerst linearer Chirps ermöglicht und damit die Genauigkeit der Entfernungsmessung verbessert. Die Unterstützung einer Bandbreite von 4 GHz ohne Beeinträchtigung der Linearität verbessert die Entfernungsgenauigkeit, denn die Genauigkeit in Millimetern ist umgekehrt proportional zur HF-Bandbreite. Dank der Millimeterwellen-CMOS-Technologie von Texas Instruments erreicht die Fractional-N-PLL-Stufe ein hohes Effizienzniveau bei gleichzeitiger Unterdrückung des Quantisierungsrauschens, sodass jegliche Kompromisse zwischen Linearität und Phasenrauschen vermieden werden.

Synchron generierte Millimeterwellen-Signale eröffnen in Anwendungen zur Füllstandsmessung zusätzlichen Freiraum. Zum Beispiel lassen sich auf präzise Weise zwei bei verschiedenen Frequenzen beginnende Rampen generieren, ohne dass ein zusätzlicher Fehler gegenüber einer einzelnen Rampe entsteht. Eine 1-GHz-Rampe lässt sich von 76 bis 77 GHz generieren, gefolgt von einer 4-GHz-Rampe von 77 bis 81 GHz. Durch digitales Stitching der reflektierten Signale beider Rampen verbessert sich die Genauigkeit um 25 Prozent.

Radar-Hardwarebeschleuniger

Bild 3: Das Radar-Hardwarebeschleunigungsmodul nimmt dem R4F-Prozessor Berechnungen ab, die häufig bei der Verarbeitung von FMCW-Radarsignalen vorkommen. Texas Instruments

Mit dem Radar-Hardwarebeschleunigermodul der Millimeterwellen-Sensoren lassen sich dem R4F-Prozessor einige Berechnungen abnehmen, die bei der Verarbeitung von FMCW-Radarsignalen häufig vorkommen. Die Verarbeitung von FMCW-Radarsignalen umfasst FFT- und Log-Magnitude-Berechnungen, um ein Radarbild in Bezug auf Entfernung, Geschwindigkeit und Winkel zu erhalten. Einige häufig verwendete Funktionen bei der Verarbeitung von FMCW-Radarsignalen erfolgen im Radar-Hardwarebeschleuniger, während proprietäre Algorithmen im Zusammenhang mit dem Clustering oder der Objektverfolgung vom R4F-Prozessor verarbeitet werden. Der in Bild 3 gezeigte Radar-Hardwarebeschleuniger umfasst vier Speicher zu je 16 KB, die Eingangsdaten senden und Ausgangsdaten aus der Haupt-Beschleuniger-Engine ziehen.

Wie die Füllstandsmessung konkret im Anwendungsfall aussieht, beschreiben wir auf der folgenden Seite.

Anwendungsfall Füllstandsmessung

Bild 4: Beispiel eines Stromschleifen-gespeisten Systems mit dem Sensor IWR1443 und einer MSP430-MCU. Diese stromsparende 16-Bit-MCU dienst als Master des Systems. Texas Instruments

Die wichtigsten Voraussetzungen für das Erfassen von Flüssigkeitsständen sind eine hohe Entfernungsgenauigkeit und die Kompatibilität zu Stromschleifen-gespeisten Anwendungen. Letzteres setzt dem Stromverbrauch des gesamten Radarmoduls enge Grenzen, muss die Stromaufnahme bei 15 V doch unter 4 mA liegen. Der Sensor IWR1443 ermöglicht zusammen mit einer stromsparenden, externen MCU Anwendungen, bei denen der IWR1443 die Berechnungen für die primäre Millimeterwellen-Signalverarbeitung (FFT, Spitzenwert-Erkennung, Entfernungs-Interpolation) übernimmt. Die externe MCU kommt für nachgeordnete Berechnungen und branchenspezifische Schnittstellen zum Einsatz. Bestimmte industrielle Anwendungsfälle erfordern den Betrieb an Zweidraht-Stromschleifen, was den Stromverbrauch strikt limitiert. Da der IWR1443 keinen Schlaf-Modus mit geringer Rest-Stromaufnahme unterstützt, muss der Baustein in solchen Fällen abgeschaltet und für jeden Messzyklus gezielt eingeschaltet werden. Auf diese Weise lässt sich der durchschnittliche Stromverbrauch verringern.

Bild 4 zeigt das Beispiel eines Stromschleifen-gespeisten Systems mit dem Sensor IWR1443 und einer MSP430-MCU von Texas Instruments. In dieser Konfiguration dient die stromsparende 16-Bit-MCU der MSP-430-Reihe als Master des Systems. Sie verarbeitet das HART-Modem (Highway-Addressable-Remote-Transducer) für die Kommunikation über das 4-20-mA-Interface und das Ein- und Ausschalten des IWR1443 für jeden Chirp-Burst. Um mehr Verarbeitungsleistung für lokale Analysen oder zusätzliche integrierte, analoge Funktionen bereitzustellen, kann alternativ auch eine 32-Bit-MCU der MSP432-Reihe zum Einsatz kommen. Die MSP432-MCU lässt sich außerdem als optimierte Wireless-Host-MCU nutzen, um die Radardaten drahtlos zu übertragen. Dafür bieten sich  verschiedene drahtlose Kommunikationsprotokolle wie BLE, Sub-Gigahertz und Wi-Fi an.

Vor jeder Messung aktiviert die MSP430-MCU den IWR1443, der daraufhin per QSPI etwaigen Applikations-Code aus dem seriellen Flash-Speicher lädt. Die auf dem R4F-Core laufende Applikation konfiguriert das Radar-Front-End (BIST-Prozessor) und kommuniziert per SPI mit der MSP430-MCU. Der IWR1443 triggert dann einen Chirp-Burst und speichert die Chirps im Radar-Datenwürfel-Speicher ab. Im Hintergrund führt der Radar-Hardwarebeschleuniger die FFT-Operationen zu den einzelnen Chirps aus und akkumuliert die Ergebnisse, um den SNR zu verbessern. Hardwarebeschleuniger und R4F-Core widmen sich der Detektierung und Nachverarbeitung, um den finalen Füllstand per SPI an die MSP430-MCU zu übermitteln. Alternativ lassen sich die FFT-Ausgaben für die finale Nachverarbeitung direkt an die MSP430-MCU ausgeben. Zum Abschluss schaltet die MSP430-MCU den IWR1443 bis zum nächsten Burst vollständig ab.

In diesem Beispiel beträgt die maximale, kontinuierliche Sweep-Bandbreite 4000 MHz mit einer komplexen FFT-Operation über 2048 Punkte, was eine Entfernungs-Auflösung der Millimeterwellen-Sensoren von 3,75 cm ergibt. Es werden fünf Chirps hintereinander aufgezeichnet und die FFT-Resultate vom Hardwarebeschleuniger kombiniert. Die Gesamt-Leistungsaufnahme des IWR1443 schließt diejenige bei der ersten Konfiguration ein, einschließlich des Code-Downloads, der aktiven Radarperiode, der Nachbearbeitung der Daten und der Übertragung der Ausgangswerte an die MSP423-MCU. Die maximale Leistungsaufnahme des IWR1443 beträgt rund 1,3 W. Gemittelt über die Frameraten von 2 bis 4 Hz ist sie aber kleiner als 6 mW und liegt damit deutlich innerhalb des Verlustleistungs-Budgets der 4-20-mA-Stromschleife.

(na)