【導(dǎo)讀】在自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域中，大部分科技媒體報(bào)道所談?wù)摰南到y(tǒng)，對(duì)多數(shù)讀者來說，感覺就像科幻故事。我們?cè)x過有關(guān)激光雷達(dá)傳感器結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)及人工智能在道路上識(shí)別物體的報(bào)道。也曾深感敬畏地研究過一些奇特的傳感器陣列，它們結(jié)合了 GPS、地圖軟件，以及持續(xù)更新的交通路況系統(tǒng)，從而為汽車提供導(dǎo)航。但我們卻很少聽過通常獨(dú)立執(zhí)行單項(xiàng)任務(wù)，對(duì)自動(dòng)駕駛車輛同樣重要的智能傳感器系統(tǒng)，例如壓力傳感器系統(tǒng)。
最初在車內(nèi)部署安全氣囊系統(tǒng)時(shí)，氣囊通常只配備在駕駛座。汽車制造商很快決定同樣要保護(hù)其他乘客，因此在副駕駛座以及后座區(qū)域（某些情況下）安裝了安全氣囊。起初當(dāng)檢測(cè)到碰撞時(shí)，安全氣囊總是全力的展開。雖然氣囊系統(tǒng)挽救了不少生命，但很快明顯發(fā)現(xiàn)，如果坐在副駕駛座的小孩或嬰兒被牢牢限制于座位上，氣囊?guī)淼膫赡軙?huì)超過其提供的保護(hù)。因此，副駕駛座開始加入能手動(dòng)關(guān)閉氣囊的設(shè)計(jì)。但是，駕駛員可能會(huì)忘了做這個(gè)必要的動(dòng)作。而且一旦關(guān)上氣囊，當(dāng)乘客是成年人時(shí)，駕駛員可能會(huì)忘了把氣囊打開。加入壓力傳感器系統(tǒng)。
在座椅上加入壓力傳感器系統(tǒng)后，整個(gè)氣囊系統(tǒng)通過監(jiān)控副駕駛座椅上的重量來判斷是否關(guān)閉系統(tǒng)。這樣的做法毋庸置疑，但是制造商很快發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的重量，他們需要使用不同的力道來展開安全氣囊。而且，座位上的重量來源可能只是一袋雜貨。下一步是在展開安全氣囊前先了解乘客的姿勢(shì)。例如，如果乘客向儀表板傾斜，則安全氣囊應(yīng)以較小的力道展開。有很多方法可以做到這一點(diǎn)。有些公司提供壓力傳感器織物，該織物可以墊在座椅上并判斷出乘客的姿勢(shì)，甚至能分辨兒童座椅和真人。有些公司則提供能感應(yīng)乘坐壓力和乘坐位置的座位氣囊。有些公司提供結(jié)合紅外攝像機(jī)（因?yàn)楸仨氃诤诎抵泄ぷ鳎┑淖粋鞲衅鳎茏R(shí)別出身體的姿態(tài)。
隨著時(shí)間的推移，壓力傳感器系統(tǒng)的電子器件，被集成至含有處理器的 IC 中，成本和尺寸都獲得縮減。汽車公司現(xiàn)在可以提供一個(gè)連接到安全氣囊裝置的完整系統(tǒng)。雖然自動(dòng)駕駛汽車已不再需要駕駛座安全氣囊系統(tǒng)，但無庸置疑的是，還是需要盡可能在撞車時(shí)為乘客提供保護(hù)。
了解智能傳感器系統(tǒng)
基本傳感器系統(tǒng)包含一個(gè)可從外部模擬世界收集數(shù)據(jù)的傳感設(shè)備。當(dāng)進(jìn)行完信號(hào)處理（例如放大、濾波或清除），會(huì)將生成的模擬數(shù)據(jù)發(fā)送到車內(nèi)的另一個(gè)系統(tǒng)。
智能傳感器系統(tǒng)增加了模數(shù)電路（A-D），可為運(yùn)行軟件的處理器提供信號(hào)，以便分析信號(hào)并做出決策（圖 1）。有了處理器和軟件，該系統(tǒng)便實(shí)現(xiàn)了智能化。然后，數(shù)字信號(hào)通常會(huì)連接到車內(nèi)的汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中傳感器數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)一步作為另一個(gè)系統(tǒng)的輸入。
圖 1：比較基本傳感器系統(tǒng)與智能傳感器系統(tǒng)。
以我們的智能安全氣囊為例，智能壓力傳感器系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)收集有關(guān)乘客的數(shù)據(jù)，并使用嵌入式處理器上運(yùn)行的軟件對(duì)其進(jìn)行分析。如果由于乘客狀況的變化需要向安全氣囊系統(tǒng)發(fā)送新警報(bào)，則智能傳感器系統(tǒng)會(huì)通過汽車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送該警報(bào)。安全氣囊系統(tǒng)會(huì)針對(duì)該警報(bào)打開或關(guān)閉安全氣囊，或者修改充氣設(shè)置來增加或減小安全氣囊展開力道。
最后，為汽車市場(chǎng)開發(fā)智能傳感器系統(tǒng)的各家公司通常會(huì)以定制 IC 為目標(biāo)，進(jìn)而降低成本、尺寸和功耗。智能傳感器的典型特征是，傳感設(shè)備使用 MEMS 來實(shí)現(xiàn)，而其余電路則是采用以 CMOS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的模擬／混合信號(hào) (AMS) 設(shè)計(jì)。
銜接多個(gè)領(lǐng)域
從小型團(tuán)隊(duì)到大型公司，設(shè)計(jì)人員通過開發(fā)定制 IC，將新穎的智能傳感器創(chuàng)意推向巿場(chǎng)。這些設(shè)計(jì)人員，正在重塑用以支持智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，他們心中懷有新的期望。他們通常在小型團(tuán)隊(duì)工作，需要集成的設(shè)計(jì)流程，以便在盡可能減少開支的同時(shí)快速、輕松地開發(fā)可正常使用的器件。他們必須能夠開發(fā)適用系統(tǒng)驗(yàn)證的概念驗(yàn)證，才能利用汽車市場(chǎng)的巨大商機(jī)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要使用集成式設(shè)計(jì)流程快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品，從而快速開發(fā)出智能傳感器系統(tǒng)所需的全部部件，包括：傳感元件、模擬電路接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯和數(shù)字邏輯，而且所有部件的成本比傳統(tǒng) IC 和系統(tǒng)設(shè)計(jì)更低。
許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)紛紛采用 Tanner 的集成式 IC 設(shè)計(jì)和驗(yàn)證解決方案來創(chuàng)建智能傳感器系統(tǒng)。原因何在？ 創(chuàng)建智能傳感器系統(tǒng)會(huì)涉及多個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，因此極具挑戰(zhàn)性。但是，在同一硅片（圖 2）上創(chuàng)建一個(gè)既有采用傳統(tǒng) CMOS IC 流程制作的電子器件，又有 MEMS 傳感器的系統(tǒng)似乎并不現(xiàn)實(shí)。實(shí)際上，許多此類系統(tǒng)會(huì)在單個(gè)封裝中集成多個(gè)芯片，將電子器件與 MEMS 設(shè)計(jì)分開。
圖 2：CMOS 版圖上的 MEMS 實(shí)例（來源：MEMSIC）。
Tanner AMS IC 設(shè)計(jì)流程（圖 3）支持單芯片或多芯片技術(shù)，因而有助于成功實(shí)現(xiàn)器件的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。
圖 3：銜接了 AMS 和 MEMS 設(shè)計(jì)的自上而下 Tanner 設(shè)計(jì)流程。
在單個(gè)芯片上設(shè)計(jì)電子器件和 MEMS 涉及到如下有趣之處（參見圖 2）：
• 電路圖可以包含 IC 和 MEMS 器件。IC 器件使用 SPICE 模型進(jìn)行建模，而 MEMS 器件則采用可直接在物理領(lǐng)域（如機(jī)械、靜電、流體和磁）建模的行為模型（圖 4）。
圖 4：電子器件和 MEMS 位于同一電路圖上。
• 為了支持初始 MEMS/IC 仿真，設(shè)計(jì)人員可以使用 System Model Builder 以及 SPICE 或 Verilog-A 中的解析方程來創(chuàng)建 MEMS 模型。結(jié)合 MEMS 仿真庫(kù)，設(shè)計(jì)人員就可以在初始階段就對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期予以驗(yàn)證。
• 利用 MEMS PCell 庫(kù)，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。此外，Library Palette（圖 5）提供了許多 MEMS 器件的基本版圖生成器，您可以將其用作設(shè)計(jì)的初始模型。
圖 5：用于創(chuàng)建 MEMS 器件版圖的 Library Palette。
• 然后，設(shè)計(jì)人員可以生成一個(gè)三維幾何模型，以便進(jìn)行查看、虛擬原型開發(fā)，以及導(dǎo)出到有限元分析 (FEA) 工具。
• Compact Model Builder 采用的是降階建模技術(shù)，利用該工具，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù) FEA 結(jié)果創(chuàng)建行為模型，并將其用于最終系統(tǒng)級(jí)仿真中。
傳統(tǒng)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 MEMS 部分從創(chuàng)建 MEMS 器件的三維模型開始，然后在第三方 FEA 工具中分析其物理特性，直到獲得滿意的結(jié)果。但是，設(shè)計(jì)人員需要二維掩膜才能制造 MEMS 器件。他們?nèi)绾螐娜S模型中衍生出二維掩膜呢？他們遵循圖 6 所示的 Tanner 以版圖為導(dǎo)向的流程，由于三維實(shí)體模型是由版圖和工藝步驟結(jié)合生成的，因此在器件制造過程中的每一步都是可視的，從而降低出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。
圖 6：以版圖為導(dǎo)向的 MEMS 設(shè)計(jì)流程。
從 L-Edit 的二維掩膜版圖開始創(chuàng)建器件。然后，3D Solid Modeler 會(huì)利用這些版圖和一系列的三維制造工藝步驟，自動(dòng)生成器件的三維實(shí)體模型。導(dǎo)出該三維模型并使用您喜歡的 FEA 工具進(jìn)行三維分析，如發(fā)現(xiàn)任何問題，可以進(jìn)行迭代。對(duì)二維掩膜版圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模缓笾貜?fù)流程。通過這個(gè)以版圖為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)人員可以將精力集中在一個(gè)可以工作的 MEMS 器件上，因?yàn)樗麄冎苯釉O(shè)計(jì)用于生產(chǎn)制造的版圖，而不是從三維模型進(jìn)行逆向工作。
增加價(jià)值
設(shè)計(jì)人員使用 Tanner 定制 IC 流程將 MEMS 傳感器集成到電子智能傳感器系統(tǒng)中。但諷刺的是，將整個(gè)系統(tǒng)置于 IC 上將卻導(dǎo)致價(jià)格降低。因此，團(tuán)隊(duì)正在尋找創(chuàng)造更高利潤(rùn)系統(tǒng)的方法。其中一種方法是傳感器融合：開發(fā)一個(gè)包含多個(gè)傳感器的系統(tǒng)，從而創(chuàng)造具有更高價(jià)值的產(chǎn)品。
以我們的壓力傳感器系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)人員可使用陀螺儀傳感器將即將發(fā)生的翻車解決方案加入 IC 中，通過陀螺儀傳感器將訊號(hào)傳送至安全帶系統(tǒng)，以便在發(fā)生事故時(shí)自動(dòng)收緊安全帶。此外，團(tuán)隊(duì)可以加入一個(gè)加速計(jì)傳感器，這有助于在不依賴乘客姿勢(shì)的條件下計(jì)算出安全氣囊展開力道。通過在系統(tǒng)中融合三種傳感器并加入軟件實(shí)現(xiàn)智能化，公司就能以更高的價(jià)格將這個(gè)多維度的解決方案提供給汽車制造商。
重點(diǎn)回顧
閱讀到有關(guān)自動(dòng)駕駛的奇特系統(tǒng)雖然令人感到興奮，但其實(shí)單一用途的智能傳感器系統(tǒng)，才是真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。這些系統(tǒng)通常采用在業(yè)界使用多年的專用傳感器。創(chuàng)建智能傳感器系統(tǒng)會(huì)涉及多個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域（模擬、數(shù)字、MEMS 和潛在 RF），因此極具挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)紛紛采用 Tanner 的集成式 IC 設(shè)計(jì)和驗(yàn)證解決方案來創(chuàng)建智能傳感器系統(tǒng)，因?yàn)樗且粋€(gè)可用于銜接這些設(shè)計(jì)領(lǐng)域的完整解決方案，從而
可以成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
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