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傳感器技術(shù)的創(chuàng)新

2021-12-30 00:17:18·  來源：Astroys  
　
傳感器是處理器、協(xié)處理器和計算模塊的“眼睛”和“耳朵”。它們具有各種形狀、形式和功能，并且被部署在越來越多的應(yīng)用中。從邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)，到智能城市、智
傳感器是處理器、協(xié)處理器和計算模塊的“眼睛”和“耳朵”。它們具有各種形狀、形式和功能，并且被部署在越來越多的應(yīng)用中。從邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)，到智能城市、智能制造、醫(yī)院、工業(yè)、機(jī)器學(xué)習(xí)和汽車。
 
這些用例中的每一個都依賴于芯片來捕獲有關(guān)模擬世界中正在發(fā)生的事情的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)數(shù)字化，以便人和機(jī)器都可以對其進(jìn)行處理、存儲、組合、挖掘、關(guān)聯(lián)和利用。
 
Synopsys產(chǎn)品營銷總監(jiān)Rich Collins表示：“在跨許多不同應(yīng)用領(lǐng)域的邊緣處理新時代，我們看到了下一代傳感器技術(shù)發(fā)展的多種趨勢。傳感器正在超越以有效方式捕獲和解釋環(huán)境條件組合（例如溫度、運(yùn)動、濕度、接近度和壓力）的基本需求?！?/span>
 
電源和能效對于這些應(yīng)用至關(guān)重要。許多依賴于電池，在不同傳感器之間共享資源，并且它們通常包括某種類型的常開電路，以加快啟動速度或檢測運(yùn)動、手勢或特定關(guān)鍵字。過去，這些類型的功能通常內(nèi)置于中央處理器中，但從能效的角度來看，這種方法是浪費(fèi)的。
 
Collins說：“在汽車、移動和物聯(lián)網(wǎng)市場的各種不同用例中，開發(fā)使用專用處理器優(yōu)化的靈活系統(tǒng)以及卸載主機(jī)處理器的硬件加速器似乎正在成為一項基本要求。傳感器數(shù)據(jù)的通信也正在成為許多這類實施的基本特征。由于通信任務(wù)在本質(zhì)上通常是周期性的，我們看到傳感器數(shù)據(jù)捕獲、融合處理和通信任務(wù)利用了相同的處理元素，從而能夠更高效地使用處理資源?！?/span>
 
汽車行業(yè)尤其如此，該行業(yè)正在經(jīng)歷從機(jī)械和模擬到電氣和數(shù)字的轉(zhuǎn)變，成為傳感器技術(shù)的典型代表。一輛新車的發(fā)動機(jī)ECU現(xiàn)在控制著從加速和減速到監(jiān)控車輛內(nèi)外的一切。ADAS依靠安裝在車輛上不同類型的傳感器來收集ECU做出決策所需的數(shù)據(jù)。
 
隨著汽車在未來十年左右的時間里增加越來越多的自動駕駛功能，這將變得更加重要。傳感器將在實現(xiàn)安全和便利性目標(biāo)方面發(fā)揮重要作用。
 
移動的數(shù)據(jù)

在汽車領(lǐng)域，從L4升級到L5將取決于單個智能ECU使用傳感器收集的信息做出決策的過程。該過程分為三個主要步驟：
 
傳感器電子設(shè)備必須準(zhǔn)確地將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)位。每個ECU都必須能夠解釋該數(shù)據(jù)以做出適當(dāng)?shù)臎Q策，例如何時加速或減速。在完全自動駕駛階段，將應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)，使自動駕駛車輛能夠在各種環(huán)境中行駛。
 
實際上，車輛需要“看到”或“感知”周圍環(huán)境才能安全地在路上并避免事故。今天，這些信號來自光、電磁波、紅外（IR）和超聲波，必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)位。
 
車輛使用傳感器組合（例如激光雷達(dá)、雷達(dá)或高清攝像頭）來檢測物體（包括其他移動車輛），并確定它們的距離和速度。
 
車廠還沒有對哪種傳感器最適合自動駕駛進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。例如，Tesla正在通過結(jié)合AI超級計算機(jī)和多個高清攝像頭，為其一些較新的自動駕駛模型采用純視覺方法。一臺這樣的超級計算機(jī)由5,760個GPU組成，能夠達(dá)到1.8 EFLOPS，連接速度為1.6TB/s。存儲容量為10PB。從本質(zhì)上講，Tesla的目標(biāo)是使用機(jī)器學(xué)習(xí)來模擬人類駕駛，這種方法需要大量的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)。

 

 
并非所有人都同意這是最好的方法。由于傳感器存在局限性，其他車廠認(rèn)為最好將多個傳感器組合在一起，依靠傳感器融合得出最準(zhǔn)確的決策信息。
 
Cadence的Tensilica Vision和AI DSP產(chǎn)品管理和營銷總監(jiān)Amol Borkar說：“我們目前看到使用一個或多個傳感器的組合用來駕駛輔助。如果我們考慮外部觀察，那么ADAS或自動駕駛應(yīng)用通常會使用從這些傳感器收集的數(shù)據(jù)/信息來對車輛周圍環(huán)境中的各種元素做出決策。這些可能包括街道標(biāo)志、行人、物體和碎片、交通燈、道路和車道標(biāo)記等。通過使用傳感器組合，可以比單個傳感器提供更多的環(huán)境可見性。例如，攝像頭本身在雨雪條件下很難看到道路，但通過將其與短/遠(yuǎn)程雷達(dá)或激光雷達(dá)組合，這個問題基本上會消失?！?/span>
 
正確解釋這些數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵。當(dāng)人類在雨中開車或夜間在高速公路上發(fā)現(xiàn)物體時，他們通常會減速，因為很難分辨物體是什么。他們需要知道物體有多大，如果他們繼續(xù)駕駛，是否會損壞車輛。但提出相同問題的超級計算機(jī)可能會得出不同的結(jié)論。
 
在2016年廣為人知的致命車禍中，Tesla的自動駕駛系統(tǒng)無法“看到”一輛白色卡車，認(rèn)為它是天空的顏色。這起致命事故說明了傳感器數(shù)據(jù)、自動駕駛解釋和決策之間必須發(fā)生交互的重要性。如果自動駕駛系統(tǒng)有任何疑問，它就會減速并避免致命事故。
 
傳感器數(shù)據(jù)接口和架構(gòu)
 
車輛內(nèi)部是一個用于許多不同功能的ECM（Electronic Control Modules）網(wǎng)絡(luò)。傳感器連接到這些ECM，而這些ECM又相互連接。傳統(tǒng)上，CAN被用作中央數(shù)據(jù)路徑，在其上運(yùn)行不同的應(yīng)用協(xié)議。目前，沒有用于ECM的API標(biāo)準(zhǔn)。由福特領(lǐng)導(dǎo)的OpenXC標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)正在進(jìn)行中。使用OpenXC，專有CAN消息將轉(zhuǎn)換為OpenXC消息格式，然后通過各種接口（例如USB、藍(lán)牙或3G/以太網(wǎng)/Wi-Fi）發(fā)送到主機(jī)設(shè)備。
 
新興的MIPI（Mobile Industry Processor Interface）標(biāo)準(zhǔn)支持傳感器與增強(qiáng)型汽車接口的連接。MIPI背后的組織是MIPI聯(lián)盟。該國際組織成立于2003年，擁有400個成員，發(fā)布了多項標(biāo)準(zhǔn)。成員包括移動設(shè)備制造商、軟件供應(yīng)商、半導(dǎo)體公司、IP工具供應(yīng)商、車廠、Tier 1和測試設(shè)備公司。作為董事會成員參與的公司包括Intel、TI、Qualcomm和Bosch。
 
MIPI聯(lián)盟的計劃是為移動和受移動影響的設(shè)備開發(fā)一套全面的接口規(guī)范，包括汽車傳感器接口。這些規(guī)范將涵蓋車輛內(nèi)的各種接口，包括：物理層、多媒體 、Chip-to-Chip/IPC、控制和數(shù)據(jù)、調(diào)試和跟蹤、軟件集成。

 
新的傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)
 
MIPI聯(lián)盟于2021年10月11日發(fā)布了A-PHY v1.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審核，預(yù)計將在未來幾個月內(nèi)被采用。該標(biāo)準(zhǔn)專注于汽車SerDes物理層接口，將之前版本的下行數(shù)據(jù)速率翻倍至32Gbps。上行齒輪數(shù)據(jù)速率也將提高兩倍（200Mbps）。
 
A-PHY v1.1標(biāo)準(zhǔn)是業(yè)界首創(chuàng)，在汽車圖像傳感器、顯示器和ADAS、車載信息娛樂系統(tǒng)（IVI）和自動駕駛系統(tǒng)（ADS）的ECU之間提供長距離、非對稱SerDes接口。此外，它還將被采用為IEEE 2977標(biāo)準(zhǔn)。

 

Mixel的CEO兼創(chuàng)始人Ashraf Takla表示：“由于雷達(dá)和激光雷達(dá)廣泛用于ADAS類應(yīng)用，我們預(yù)計 MIPI將繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)化傳感器接口方面做出重大貢獻(xiàn)。此外，圖像傳感器用于為駕駛員生成周圍環(huán)境的視頻，就像備用攝像頭一樣。這些圖像傳感器都使用MIPI接口。帶有MIPI CSI-2 TX或MIPI CSI-2 RX控制器的MIPI D-PHY（以及最近的MIPI C-PHY）用于鏈路的傳感器和處理器端。時至今日，CSI-2仍然是許多攝像頭和傳感器應(yīng)用的實際標(biāo)準(zhǔn)。隨著汽車中傳感器數(shù)量和復(fù)雜性的不斷增加，我們預(yù)計對MIPI標(biāo)準(zhǔn)的需求將繼續(xù)增加?！?/span>
 

 

從那里，連接傳感器相對簡單。Cadence的Borkar說：“有兩種方法可以解決這個問題。如果傳感器是更大解決方案的一部分，例如，傳感器和計算單元在同一個包中，比如在DMS或大多數(shù)ADAS解決方案中，那么傳感器通常使用MIPI和SPI接口，這是眾所周知的高速數(shù)據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)從傳感器接收，然后由NPU或DSP處理。有一些解決方案，例如360度或環(huán)視車載攝像頭系統(tǒng)，它們使用四個或更多傳感器陣列來構(gòu)建汽車周圍的360度視圖。在這種情況下，遠(yuǎn)離計算單元的傳感器通常使用CAN總線或高速以太網(wǎng)將圖像或數(shù)據(jù)發(fā)送到計算單元進(jìn)行進(jìn)一步處理?！?/span>
 
傳感器展望
 
汽車傳感器技術(shù)還不完美，所以使用多傳感器融合方法受到許多人的青睞。隨著我們向完全自動駕駛邁進(jìn)，仍有許多挑戰(zhàn)需要克服。
 
Cadence Tensilica DSP產(chǎn)品管理和營銷總監(jiān)Ted Chua說：“汽車傳感器將繼續(xù)改進(jìn)以解決它們的缺點。雷達(dá)供應(yīng)商正在努力改進(jìn)關(guān)鍵部件，例如角分辨率和物體分類能力。激光雷達(dá)傳感器供應(yīng)商正專注于創(chuàng)新解決方案，以大幅降本并實現(xiàn)大規(guī)模制造能力。如上所述，在未來的自動駕駛汽車中，所有傳感器都需要協(xié)同工作。因此，需要將來自各種傳感器的信號融合在一起以進(jìn)行決策?！?/span>
 
不過，所有這些都需要時間。Chua說：“今天，大多數(shù)傳感器都通過了ASIL-B功能安全認(rèn)證。但對于L4和L5自動駕駛汽車，考慮到安全目標(biāo)，ASIL-B傳感器是否足夠？未來的傳感器是否需要通過ASIL-D認(rèn)證？我們?nèi)绾我?/span>
具有成本效益的方式巧妙地設(shè)計自動駕駛汽車的ASIL-D要求？這些只是我們需要考慮的問題和挑戰(zhàn)的冰山一角，而為了實現(xiàn)未來的完全自動駕駛，我們必須解決這些問題?！?/span>
 
未來的改善
 
對于芯片行業(yè)來說，這是一個挑戰(zhàn)，但這是一個潛在的非常有市場潛力的挑戰(zhàn)。未來的傳感器需要更加緊湊、輕便、準(zhǔn)確和可靠。但為了實現(xiàn)駕駛安全，汽車數(shù)據(jù)，包括傳感器生成的數(shù)據(jù)，必須受到保護(hù)，無論是在存儲單元還是在運(yùn)行中的數(shù)據(jù)。
 
Rambus Security技術(shù)產(chǎn)品經(jīng)理Thierry Kouthon 表示：“傳感器將信號發(fā)送到處理單元分析數(shù)據(jù)的主要方式有兩種，通過網(wǎng)絡(luò)或直接線路。在收到信號后，處理單元做出將影響車輛行為或警告/通知駕駛員的決定。在直接連線的情況下，MIPI-A PHY等技術(shù)可用于激光雷達(dá)、雷達(dá)和攝像頭等高帶寬傳感器。今天，MIPI不支持身份驗證和機(jī)密性，而這些是完善的安全解決方案必要組成部分。在車輛環(huán)境中，決定是否必須使用身份驗證和機(jī)密性來保護(hù)傳感器單元和處理單元之間的高速連接由制造商決定。想要強(qiáng)制實施安全連接的制造商將使用諸如汽車以太網(wǎng)之類的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。以太網(wǎng)可以使用MACsec（IEEE 802.1AE標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行保護(hù)。MACsec具有以線速運(yùn)行的優(yōu)勢，對性能或延遲幾乎沒有影響。其他更高級別的協(xié)議也適用，例如IPsec。MACsec和IPsec都提供身份驗證和機(jī)密性。”
 
結(jié)論
 
從CAN總線到MIPI，傳感器接口的發(fā)展已經(jīng)走過了漫長的道路。未來，預(yù)計5G和V2X也將成為傳感器接口的一部分。V2X將車輛相互連接以提高安全性。目前，當(dāng)發(fā)生事故時，例如在高速公路上1,000碼前方，駕駛員無法看到前方發(fā)生的情況，也無法及時減速或停車以避免碰撞。
 
西門子EDA產(chǎn)品工程總監(jiān)John Stabenow表示：“隨著我們向網(wǎng)聯(lián)汽車和V2X邁進(jìn)，我們將需要除攝像頭、激光雷達(dá)、雷達(dá)、紅外和超聲波目前所能提供的功能之外的其他功能。要實現(xiàn)駕駛安全，汽車傳感器需要能夠執(zhí)行人臉識別、手勢識別等之外，還要處理前方許多不可預(yù)測的動作和車輛的許多盲點。此外，許多新型和緊湊的傳感器還會被開發(fā)出來，用來檢測諸如輪胎漏氣之類的現(xiàn)象，而不僅僅是胎壓，以及檢測剩余的胎面深度。”
通過V2X，靠近事故現(xiàn)場的車輛信息將在車輛到達(dá)事故現(xiàn)場之前傳達(dá)給車輛。隨著車輛智能傳感器相互通信，這些車輛將在沒有駕駛員干預(yù)的情況下自動減速。最有可能的是，這將通過5G實現(xiàn)，汽車傳感器的行為就像物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點在邊緣處理中所做的那樣。
 
Cadence的Chua說：“車輛的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜图軜?gòu)正在不斷發(fā)展。我們正朝著zonal網(wǎng)絡(luò)和架構(gòu)發(fā)展。接口/總線選擇將取決于ECU和網(wǎng)關(guān)正常運(yùn)行所需的各種因素。這些因素包括數(shù)據(jù)負(fù)載量、延遲要求、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘?。Zonal ECU將使用PCIe、MIPI、CAN等接口連接到傳感器或zonal端點。以太網(wǎng)可用于連接zonal ECU和中央ECU/網(wǎng)關(guān)。V2X網(wǎng)關(guān)可以使用5G連接到云。隨著車輛的聯(lián)網(wǎng)，車輛上的Wi-Fi可能會為艙內(nèi)或車輛周圍的設(shè)備提供寬帶連接?！?/span>
 
我們只是看到了未來駕駛的一小部分。傳感器技術(shù)可以為人類駕駛員和最終的自動駕駛做很多事，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的功能將被添加到車輛中。這僅僅是個開始，隨著更多傳感器和通信的加入，會帶來更多的機(jī)會。
 
 
[參考文章]
Innovations In Sensor Technology — John Koon
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