Geschwindigkeitsregelung - HANSER automotive

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Geschwindigkeitsregelung - HANSER automotive

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Adaptive

Geschwindigkeitsregelung

SONAR (Sound Navigation And Ranging), RADAR (Radio Detection

And Ranging) und LIDAR (Light Detection And Ranging) sind

verschiedene elektronische Systeme, die sich für das Messen von Entfernungen

anbieten. Zum Bestimmen der Distanz zu einem Objekt bedienen

sich alle drei Verfahren des gleichen Prinzips. Sie senden ein bestimmtes

Signal aus, das vom jeweiligen Zielobjekt reflektiert und im Empfänger ausgewertet

wird, um Informationen über das jeweilige Objekt einzuholen.

Sehr häufig interessiert man sich für die Entfernung zu eben diesem Objekt.

Soll jedoch eine adaptive Geschwindigkeitsregelung implementiert werden,

die stets für den korrekten Sicherheitsabstand zwischen zwei Automobilen

sorgt, so ist LIDAR die erste Wahl.

Die RADAR-Technik wird in der Regel zum Erkennen

und Verfolgen relativ großer Objekte (z. B. Flugzeuge

oder Automobile) benutzt, während das

SONAR meist unter Wasser zum Einsatz kommt, um beispielsweise

U-Boote oder auch Fischschwärme zu orten.

Noch relativ neu ist die LIDAR-Technik, für die es eine

ganze Palette von Anwendungen gibt. Neben der Entfernungsmessung

im Vermessungs- und Bauwesen eignet

sie sich auch in der Wehrtechnik zum Bestimmen von Distanzen.

Das Erkennen von Fahrzeugen beispielsweise an

Mautstellen oder die Abstandsmessung zwischen Fahrzeugen

stellen weitere Verwendungszwecke dar.

Zu den neuesten Einsatzmöglichkeiten der LIDAR-Technik

zählt die adaptive Geschwindigkeitsregelung für Kraftfahrzeuge.

Der Autofahrer stellt hier – wie er es vom konventionellen

Tempomaten gewohnt ist - die gewünschte Fahrgeschwindigkeit

ein. Neu an der adaptiven Geschwindigkeitsregelung

ist jedoch, dass bei Annäherung an ein langsamer

SIGNALPFADKOMPONENTEN BESTIMMEN

SYSTEMGENAUIGKEIT UND -KOSTEN

fahrendes Fahrzeug das eigene Tempo so weit reduziert

wird, dass stets der notwendige Sicherheitsabstand eingehalten

wird. Das Funktionsprinzip und das Design des Front-

Ends für eine solche adaptive Geschwindigkeitsregelung

sind das Thema des folgenden Beitrags.

System-Alternativen

Für das beschriebene System kommen Dauerstrich-Signale

(Continuous Wave; CW) und gepulste Signale in Frage.

Dauerstrich-Systeme arbeiten nach dem Prinzip, dass das

Zielobjekt ein phasenverschobenes Abbild des ursprünglich

ausgesendeten Signals reflektiert. Ein Phasenkomparator im

Empfänger vergleicht das phasenverschobene empfangene

Signal mit dem ursprünglichen Signal. Aus der Phasendifferenz

zwischen beiden Signalen sowie aus der Geschwindigkeit,

mit der sich diese Differenz verändert, kann sowohl auf

die Distanz zum Zielobjekt als auch auf die Änderungsrate

der Distanz geschlossen werden.


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Ein gepulstes Lasersystem sendet und empfängt jeweils

kurze Lichtimpulse. Die Laufzeit (Time Of Flight; TOF) dieser

Impulse dient dazu, die Distanz zum Zielobjekt und die

Geschwindigkeit der Annäherung zu ermitteln.

All diesen Systemen ist gemeinsam, dass sie eine elektrische

Signalquelle, einen Leistungsverstärker und einen Sender

zum Aussenden eines Signals benötigen. Empfangssensor,

Verstärker und Signalaufbereiter nehmen das reflektierte

Signal entgegen und führen es einem schnellen Analog-Digital-Wandler

(ADC) zu, der eine digitale Version des

empfangenen Signals erzeugt. Diese lässt sich in einem

Speicher ablegen, aus dem es von einem DSP, FPGA oder

Mikrocontroller zur Weiterverarbeitung mit der individuellen

Verarbeitungsgeschwindigkeit

des jeweiligen Bauelements

abgerufen werden kann.

Ein gravierender Nachteil von

Dauerstrich-Systemen im Automobilbereich

sind die hohen

Systemkosten. Deutlich kosteneffektiver

ist eine mit einem

gepulsten Laser arbeitende

LIDAR-Lösung, die deshalb

meist bevorzugt wird.

Systemanforderungen

Welche Entfernungen gemessen

werden können, hängt von

verschiedenen Faktoren ab, wie

etwa von der Maximalleistung

des Lasers, der Divergenz und

Streuung des Laserstrahls, der

Lichtdurchlässigkeit des Mediums,

das vom Signal durchquert

werden muss, den Reflexionseigenschaften

des Zielobjekts und

der Empfindlichkeit des Empfängers.

Die mögliche Maximalentfernung

wird davon bestimmt,

mit welcher Leistung der Laser

sendet, wie empfindlich der optische

Empfänger ist, wie durchlässig

die Atmosphäre für optische

Signale ist und wie stark

der Laserstrahl von einer idealen

Geraden abweicht.

Zur Detektierung der schwachen

optischen Signale im Empfänger

stehen im Wesentlichen drei

Detektortypen zur Wahl, nämlich

der Silizium-PIN-Detektor, die

Silizium-APD (Avalanche Photodiode)

und die Fotovervielfacher-

Röhre. APDs finden breite

Anwendung in vielen Einsatzbereichen,

denn sie zeichnen sich

durch eine Kombination aus

hoher Geschwindigkeit und

hoher Empfindlichkeit aus, die andere Detektortypen nicht

bieten.

Die Empfänger-APD wandelt die empfangen Lichtimpulse in

elektrische Ströme um, die proportional zur Stärke des einfallenden

Lichts sind. Die Ströme wiederum werden von

einem Transimpedanz-Verstärker in ein Spannungssignal

umgewandelt.

Wie in jedem analogen System ist es zum Erzielen eines

minimalen Rauschens notwendig, die ersten Stufen des Signalpfads

möglichst rauscharm zu konstruieren. Dies wiederum

setzt die Verwendung von Bauelementen mit geringstem

Rauschen und größtmöglicher Verstärkung voraus.

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kung und Eingangsimpedanz, ein sehr geringes Spannungsund

Stromrauschen sowie eine niedrige Eingangskapazität

aufweisen. Das Ausgangssignal des Transimpedanz-Verstärkers

wird nämlich erneut verstärkt und muss unter Umständen

zusätzlich aufbereitet werden, bevor es zur Digitalisierung

an einen ADC weitergegeben wird.

Während das empfangene Signal bei einem nahen Objekt

relativ stark ist, nimmt es mit zunehmender Entfernung des

Zielobjekts immer mehr ab. Der Empfänger muss also sehr

starke Signale ebenso gut verarbeiten können wie sehr

schwache. Anders ausgedrückt: er muss einen besonders

großen Dynamikbereich aufweisen. Es ist durchaus nicht

ungewöhnlich, dass dem System ein Dynamikbereich im

Bereich von 100 dB abverlangt wird. Erreicht wird dies,

indem man dem ADC einen analogen Variable Gain Amplifier

(VGA) oder einen digitalen Variable Gain Amplifier (DVGA) voranschaltet.

Benötigt der ADC ein differenzielles Eingangssignal, muss

das unsymmetrische Eingangssignal außerdem in ein differenzielles

Signal umgewandelt werden. Dafür eignen sich die

Bild 1: Blockschaltbild des Systems zur Entfernungsmessung.

Operationsverstärker der LMH655x-Familie von National

Semiconductor. Als abschließende Stufe vor dem ADC folgt

ein Spannungsverstärker in all jenen Fällen, in denen der Baustein

zur Umwandlung des unsymmetrischen Eingangssignals

nicht die erforderliche Kombination aus Verstärkung und

Dynamikbereich mitbringt. In differenziellen Schaltungen

kann die Produktfamilie LMH655x auch diese Aufgabe übernehmen.

Das entscheidende analoge Bauelement im Empfangs-Signalpfad

der hier beschriebenen Systeme ist der A/D-Wandler,

der die vom Zielobjekt reflektierte Energie zu digitalisieren

hat.

Ein vereinfachtes Blockschaltbild des Empfängers ist in

Bild 1 zu sehen. Der FIFO-Puffer kann in ein FPGA eingebaut

werden, doch ist es wünschenswert, diesen

Funktionsabschnitt in den ADC-Chip zu integrieren.

Anforderungen an den A/D-

Wandler

Die Genauigkeit, mit der die Signallaufzeit (und

damit die Entfernung) gemessen wird, hängt

von der Impulsbreite des Lasers sowie der

Geschwindigkeit und Genauigkeit des verwendeten

ADC ab. Aus diesem Grund ist der ADC,

mit dem die vom Objekt zurückgeworfenen

Impulse digitalisiert werden, der wichtigste analoge Baustein

im Signalpfad des Empfängers.

Welche Abtastrate der ADC mindestens bieten muss, lässt

sich wie folgt berechnen:

f s = c/A

darin ist

f s die Abtastrate des ADC in Abtastungen pro Sekunde

c die Lichtgeschwindigkeit und

A die Entfernungsauflösung

In dieser Gleichung müssen c und A in kompatiblen Einheiten

angegeben werden. Wenn beispielsweise die Auflösung

in Metern spezifiziert wird, muss c die Einheit m/s haben.

In LIDAR-Systemen für den Einsatz im Kfz-Bereich wäre

±0,9 m eine typische Genauigkeitsvorgabe für die Entfernungsmessung.

Da zum Bestimmen der Entfernung die Signallaufzeit

zum Objekt hin und wieder zurück gemessen

wird, ist das Doppelte, also eine Auflösung von 2,0 m erforderlich.

Legt man ferner die Lichtgeschwindigkeit von

299.792.458 m/s zugrunde (meist auf 3x10 8 m/s gerundet),

errechnet sich folgende minimale Abtastrate für

den ADC:

f s = c/A

= (3x10 8 m/s) / 2,0 m

= 150x10 6 Abtastungen pro Sekunde = 150

MSample/s

Wie erwähnt, wäre es günstig, einen ADC mit

eingebautem Puffer zu verwenden. Der A/D-

Wandler des Typs ADC08B200 mit 200 MSPS

Abtastrate verfügt über einen solchen integrierten

Pufferspeicher von 1 KByte. Da auch ein Taktmultiplizierer

eingebaut ist, kann die Abtastrate von 200

MSPS mit einem externen Takt von nur 25 MHz erreicht werden.

Setzt man diesen Baustein ein, dann lässt sich die folgende

Entfernungsauflösung erzielen:

© automotive

Auflösung = c / fS / 2

= (3x10 8 m/s) / 2x10 8 s x 1 / 2 = 0,75 m

Wenn der Pufferspeicher in den ADC integriert ist, bedeutet

dies, dass das FPGA bzw. der DSP kleiner sein können als

mit einem eingebauten Pufferspeicher. Auch ein eigenständiger

FIFO-Baustein kann hierdurch entfallen.

Dieses Eigenschaftsprofil verleiht dem ADC08B200 eine ide-

Bild 2: Entfernungsmesssystem mit dem ADC08B200.

© automotive


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ale Eignung für LIDAR-basierte adaptive Geschwindigkeitsregelungen

im Kfz-Bereich.

ADC-Schaltung für LIDAR-Systeme

Herzstück des LIDAR-Empfängers für den Automotive-

Bereich ist der ADC08B200. Das Blockschaltbild des

Systems in Bild 2 zeigt, wie sich das Design des Empfängers

mit diesem Baustein vereinfacht. Abgesehen vom A/D-

Wandler selbst enthält der ADC08B200 auch einen Taktmultiplizierer,

der die Verwendung eines externen Taktoszillators

mit niedriger Frequenz erlaubt, sowie einen 1 KByte großen

Pufferspeicher, der die Geschwindigkeits- und Komplexitätsanforderungen

an das FPGA, den DSP oder den Mikrocontroller

entschärft. Der Taktmultiplizierer kann die von außen

angelegte Taktfrequenz um den Faktor 1, 2, 4 oder 8 multiplizieren.

Für den Betrieb mit 200 MSPS reicht deshalb eine

externe Taktfrequenz von 25 MHz aus. Falls gewünscht, kann

für den ADC08B200 dieselbe Taktquelle verwendet werden

wie für das FPGA, den DSP oder den Mikrocontroller.

Das Auslesen des Pufferspeichers kann mit einer beliebigen

Rate bis 200 MHz erfolgen. Auch ein Umgehen des Puffers

ist möglich. In diesem Fall werden die Daten mit der Abtastrate

des ADC fortlaufend ausgegeben.

Zur Minimierung der durchschnittlichen Leistungsaufnahme

kann der ADC-Kern des ADC08B200 in einen Power-Down-

Zustand versetzt werden, solange der Puffer ausgelesen

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Bild 3: Beispiel für die äußere Beschaltung des AD-Wandlers.

wird. Wenn das System insgesamt in Betrieb bleiben soll, der

Datenwandler aber zeitweilig nicht benötigt wird, lässt sich

auch der gesamte ADC08B200 einschließlich des Pufferspeichers

in den Power-Down-Status schalten.

Beschaltung des AD-Wandlers

unkompliziert

Die äußere Beschaltung des ADC08B200 ist unkompliziert

(Bild 3). Schon mit Referenzspannungen von nur 1 V lassen

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sich sehr gute Ergebnisse erreichen. Der Vorteil einer geringen

Referenzspannung ist, dass in diesem Fall das vom APD

kommende Signal weniger verstärkt werden muss. In diesem

Design kommt deshalb zur Bereitstellung der oberen

Referenz für den ADC08B200 die 1,2V-Shunt-Referenz

LM4041-1.2 zum Einsatz, während das Massepotenzial als

untere Referenz verwendet wird. Sollte das Ausgangssignal

des Verstärkers, des VGA oder des DVGA nicht bis zur Masse

herab reichen, kann die untere Referenz selbstverständlich

auch höher als das Massepotenzial angesetzt werden, um

diesen Umstand zu berücksichtigen.

Geht man von einer Referenzspannung von 1,2 V aus und

nimmt ferner einen minimalen Widerstand der ADC-Referenzleiter

von 145 Ω an, so errechnet sich ein maximaler

Referenzstrom von 8,3 mA. Als Maximalstrom sind für den

LM4041-1.2 15 mA spezifiziert. Vom Design her sollte ausgeschlossen

sein, dass bei fehlendem ADC08B200 mehr als

15 mA durch den LM4041-1.2 fließen. Der Pull-up-Widerstand

für die Referenz muss demnach mindestens den folgenden

Wert haben:

(3,6 V - 1,2 V) / 15 mA = 160 Ω

Bild 4: Mittlere Leistungsaufnahme des ADC08B200 als

Funktion des Abtastintervalls bei einer Leserate von 50

MHz.

© automotive

Bei den 3,6 V handelt es sich um die maximale Ausgangsspannung

der 3,3-V-Stromversorgung bei der gegebenen

Toleranz. Die Verwendung eines 150-Ω-Widerstands räumt

hier eine Toleranz von 5 % ein.

Durch ein High-Signal am MULT1-Eingang des ADC08B200

und ein Low-Signal am MULT0-Eingang wird das 50-MHz-

Signal am CLK-Eingang um den Faktor 4 auf 200 MHz multipliziert.

Da sowohl BSIZE0 als auch BSIZE1 High-Status

haben, steht die maximale Pufferkapazität von 1.024 Byte zur

Verfügung. Weitere Informationen zur Verwendung dieser

Pins können dem Datenblatt zum ADC08B200 entnommen

werden.

Der vom FPGA erzeugte Lesetakt RCLK dient zum Auslesen

der Daten aus dem Puffer des ADC08B200. Das DRDY-Signal

des ADC08B200 wiederum veranlasst das Zwischenspeichern

der Daten im FPGA.

Da der ADC08B200 zu keiner Zeit vollständig abgeschaltet

werden soll, ist der PD-Pin mit Masse verbunden. Eine Minimierung

des Strombedarfs wird aber dennoch angestrebt.

Aus diesem Grund wird der Quantisierer – gesteuert vom

FPGA – mit Hilfe des PDADC-Pins außer Betrieb gesetzt. Bei

High-Zustand am PDADC-Pin wird der eigentliche A/D-

Wandler deaktiviert, während der Puffer aktiv bleibt und ausgelesen

werden kann.

Die Leistungsaufnahme des ADC08B200 beträgt typisch

543 mW, wenn Daten in den internen Puffer geladen werden,

bzw. typisch 66 mW beim Lesen aus dem Puffer, wenn

PDADC High-Status hat. Um die Stromaufnahme zu minimieren

sollte der ADC mit seiner maximalen Abtastrate von

200 MSPS betrieben werden, während das Auslesen der

Daten aus dem Puffer mit einer geeigneten, zur Frequenz der

Entfernungsmessung passenden Rate erfolgen sollte.

Die Kurve in Bild 4 gibt Auskunft über die mittlere Verlustleistung

als Funktion des Abtastintervalls.

Fazit

Das Design eines Entfernungsmesssystems ist

zweifellos anspruchsvoll. Mit Hilfe des ADC08B200

von National aber lassen sich der externe Schaltungsaufwand

und die daraus resultierenden Kosten

minimieren, wodurch sich das Design derartiger

Systeme einfacher gestaltet.

Nicholas (Nick) Gray arbeitet als

Staff Applications Engineer bei

National Semiconductor in Santa

Clara (Kalifornien/USA).

National Semiconductor

@ www.national.com

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