Millimetergolf-radarkits gebruiken voor snelle ontwikkeling van ontwerpen voor precisie-objectdetectie

Ontwerpers staan onder constante, competitieve druk om bewegingssensoren te implementeren die kleiner en nauwkeuriger zijn en een groter detectiebereik hebben, voor toepassingen in uiteenlopende branches, zoals smart buildings, fabrieksautomatisering, transport en drones. Hoewel millimetergolftechnologie (mmWave) steeds meer terrein wint als aantrekkelijke optie voor bewegingsdetectie, vormt voor ontwerpers, die voor het eerst met mmWave-technologie te maken hebben, vooral het onderliggende hoogwaardige en hoogperformante radarsignaal een uitdaging.

Om deze problemen op te lossen, zijn er nu mmWave-apparaten en bijbehorende ontwikkelingskits beschikbaar waarmee ontwerpers snel geavanceerde en nauwkeurige bewegingsdetectiesystemen kunnen opzetten.

In dit artikel gaan we het hebben over de steeds grotere rol van bewegingsdetectiesystemen en leggen we uit waarom mmWave een goede optie is als het gaat om bereik en nauwkeurigheid. Vervolgens zullen we een geschikte kit introduceren en laten zien hoe men daarmee aan de slag kan gaan.

De steeds grotere rol van bewegingsdetectie

In een breed scala van toepassingen wordt de rol van bewegingsdetectie steeds belangrijker. Naast zijn rol als op gebruikerscomfort gerichte functie in zogeheten smart buildings en domoticaproducten, biedt bewegingsdetectie ook een fundamentele veiligheidsfunctie in automobiel- en industrietoepassingen. Een groeiend aantal toepassingen vereist een een steeds groter bereik en hogere nauwkeurigheid van bewegingsdetectiesystemen, waardoor niet langer gebruik kan worden gemaakt van traditionele, op passieve infraroodsensors of time-of-flight systemen gebaseerde methoden.

Om deze reden bestaat er groeiende aandacht voor de zogeheten mmWave radartechnologie. Deze technologie werkt met frequentie-gemoduleerde continue golven (Frequency Modulated Continuous Wave - FMCW). De mmWave-technologie gebruikt signalen met korte golflengte die detectie van voorwerpen met een nauwkeurigheid onder de millimeter mogelijk maken. Deze technologie is in staat om door materialen zoals plastic, gipsplaat en kleding te dringen en behoudt zijn hoge prestatieniveau ook bij zware omgevingsomstandigheden zoals regen, mist, stof en sneeuw.

Smalle bundels van mmWave-energie kunnen worden gericht en gestuurd om zeer nauwkeurige detectie van objecten te verkrijgen en meerdere, dicht bij elkaar in de buurt bewegende objecten te volgen.

Hoe werkt mmWave-technologie

We kunnen binnen dit artikel niet verder ingaan op de details van mmWave-radarsignaalverwerking, maar het is wel belangrijk om te weten dat de detectieprincipes gebaseerd zijn op een welbekend concept dat betrekking heeft op de reflectie van energie door een object. Bij lineaire FMCW-radars is deze energie een millimetergolftoon, ook wel 'chirp' (tsjirp) genoemd, die lineair met de tijd in frequentie verandert. Nadat het radarsysteem een chirp heeft gegenereerd en verzonden, wordt het door een object in de gecontroleerde zone gereflecteerd chirp-signaal gedetecteerd en doorgegeven aan een mixer. De mixer combineert de RX- en TX-signalen om een signaal op de middenfrequentie (intermediate frequency - IF) te produceren.

De vertraging tussen de chirp-transmissie en de detectie van het gereflecteerde signaal wordt gebruikt om de afstand tussen de antennes van het radarsysteem en een object te berekenen. Als het radarsysteem binnen een enkel observatievenster of frame meerdere chirps genereert, kan het de snelheid van een object bepalen door het faseverschil in de overeenkomstige gereflecteerde chirps te meten. Als meerdere ontvangers worden gebruikt, kan het radarsysteem ook de betreffende aankomsthoek (angle of arrival - AoA) tussen het radarsysteem en het object bepalen. Door dezelfde principes te gebruiken met meer complexe berekeningen, kan een hoogwaardig radarsysteem meerdere targets traceren die zich op verschillende snelheden en over verschillende routes bewegen.

Om een systeem te ontwerpen dat in staat is om dergelijke bewerkingen uit te voeren, moeten RF-, analoge en digitale subsystemen worden gecombineerd (Afbeelding 1). Een RF-signaalsynthesizer die deel uitmaakt van de uitgangssignaalketen van het systeem genereert de chirp voor transmissie. In de eerste fase van de ingangssignaalketen van het systeem combineert een RF-mixer de gegenereerde chirp met de gereflecteerde chirp om het IF-signaal te produceren. Een laagdoorlaatfilter en analoog/digitaal-omzetter (ADC) die deel uitmaken van daaropvolgende analoge trappen, produceren een digitale gegevensstroom voor signaalverwerking met behulp van een FFT (Fast Fourier Transform)-algoritme en andere algoritmes.

Afbeelding 1: een typisch, op frequentie-gemoduleerde continue golf (FMCW) gebaseerd millimetergolf-radarontwerp maakt gebruik van nauw geïntegreerde RF-, analoge en digitale subsystemen om een precies geregelde energieburst, chirp genoemd, te verzenden en het gereflecteerde signaal te verwerken om afstand, snelheid en relatieve hoek van objecten in de gecontroleerde zone te bepalen (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Alhoewel deze fundamentele architectuur van toepassing is op een typisch FMCW-radarsysteem, zijn de specifieke kenmerken van het ontwerp ervan afhankelijk van toepassingsgebonden vereisten voor wat betreft maximaal detectiebereik, bereikresolutie, hoekresolutie enzovoorts. Het maximale detectiebereik is bijvoorbeeld evenredig aan de IF en omgekeerd evenredig aan de frequentiehelling. Dit betekent dat lange-afstand toepassingen, zoals adaptieve cruise-control voor auto's, een ontwerp vereisen dat in staat is om een hoge IF te ondersteunen en een chirp met een snelle frequentie-sweep-tijd te produceren.

Ontwerpers die radarprestaties willen optimaliseren, moeten ook rekening houden met een groot aantal ontwerpkenmerken, waaronder TX-uitgangsvermogen, RX-gevoeligheid en ruisgetal, TX- en RX versterkingsprofielgeometrie van de antenne en signaal/ruisverhouding van het gereflecteerde signaal. Bovendien heeft elke toepassing zijn unieke combinatie van factoren, die ontwikkelaars voor een complex geheel van over en weer afhankelijke vereisten stellen.

Met zijn mmWave-platform neemt Texas Instruments een groot deel van de uitdagingen, die bij het ontwerpen en configureren van radarsystemen komen kijken, van de schouders van de ontwerpers af.

mmWave oplossing met enkele chip

De mmWave-oplossing van Texas Instruments combineert mmWave-IC's en een uitgebreide software-omgeving die de implementatie van op mmWave gebaseerde bewegingsdetectietoepassingen drastisch vereenvoudigt. Industriële mmWave-apparaten, waaronder de IWR1443 en IWR1642 van Texas Instruments, integreren de complete set van RF-, analoge en digitale subsystemen die nodig is om FMCW-radarsignalen te genereren, verzenden, ontvangen en verwerken. Deze apparaten combineren een vergelijkbare RF/analoge front-end met een geavanceerd digitaal subsysteem (Afbeelding 2). Binnen deze front-end architectuur integreren deze apparaten een compleet FMCW-subsysteem met 76 tot 81 gigahertz (GHz) band transceiver met vier specifieke RX-signaalpaden en meerdere TX-kanalen (drie in de IWR1443 en twee in de IWR1642).

Afbeelding 2: De IWR1443 en IWR1642 mmWave-apparaten van Texas Instruments, gebouwd op een vergelijkbare front-end architectuur, bieden vier separate RX-kanalen en meerdere TX-kanalen, drie in de IWR1443 en twee in de IWR1642. Bron afbeelding: DigiKey, met bronmateriaal van Texas Instruments)

Voor hun digitale subsysteem integreren beide apparaten een Arm® Cortex®-R4F processorkern die als de apparaat-host fungeert in het hoofdbesturingssysteem en die verantwoordelijk is voor de randapparatuur, firmware update, boot en andere hostfuncties. Door gebruik te maken van zijn geïntegreerde ROM en programma/datageheugen vervult dit hoofdbesturingssysteem een primaire functie om de TI mmWave-apparaten autonoom te laten werken binnen een groter systeemontwerp.

Voor hun geïntegreerde radarverwerkingssubsysteem gebruiken beide apparaten een vergelijkbare architectuur die is opgebouwd rond een 128-bits, 200 megahertz (MHz) bus die zorgt voor een hoge doorvoersnelheid door gedeelde geheugenbronnen zoals ADC buffers, L3 datageheugen van de radar, cache en geheugen voor communicatie met de host van het hoofdbesturingssysteem. Verbeterde DMA (EDMA)-modules, die met dezelfde bus zijn verbonden, bieden processor-onafhankelijke overdrachten om het overdragen van gegevens in de verschillende stadia van de verwerkingspijplijn te versnellen.

Voor hun radarsignaalverwerkingssubsysteem gebruiken de IWR1443 en IWR1642 twee verschillende benaderingen. De IWR1443 bevat een speciale accelerator die is ontworpen om FFT-berekening en andere berekeningen de aan de radarsignaalverwerking ten grondslag liggen te versnellen (Afbeelding 3). Daarnaast dient een aparte Arm Cortex-R4F-processor (radarsysteem) als specifieke host voor front-end configuratie, regeling van het radarsubsysteem en kalibratie.

Afbeelding 3: naast RF en analoge front-end integreert het IWR1443 mmWave-apparaat van Texas Instruments een digitaal subsysteem met een op een Arm Cortex-R4F gebaseerd hoofdbesturingssysteem, een apart op een Arm Cortex-R4F gebaseerd RADAR-systeem en een FFT accelerator om de radarsignaalverwerking te versnellen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Voor de radarsignaalprocessor integreert de IWR1642 een C674x digitale signaalprocessor (DSP)-kern van Texas Instruments (Afbeelding 4). De IWR1642 DSP, die specifiek is ontworpen voor FMCW-signaalverwerking, werkt met een 600 MHz-klok die wordt ondersteund door L1 programma-caches (L1P) en data-caches (L1d) van 32 Kbyte, samen met 256 Kbytes aan gecombineerde programma/data-L2-cache om DSP-bewerkingen te versnellen. Indien nodig kunnen ontwerpers de IWR1642 zuiver als een radarsignaalprocessor gebruiken.

Afbeelding 4: samen met de RF/analoge front-end, integreert het IWR1443 mmWave-apparaat van Texas Instruments een digitaal subsysteem dat een Arm Cortex-R4F als hoofdprocessor heeft en een C674x digitale signaalverwerkingskern (Digital Signal Processing - DSP) voor radarsignaalverwerking. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

In het hoofdbesturingssysteem en de radarsubsystemen ingebouwde zogeheten hardware-in-the-loop (HIL)-modules stellen ontwerpers in staat om de ingangspoorten van de gegevenswijzigingmodule (data modification module - DMM) van het apparaat te gebruiken om de RF front-end te bypassen en onbewerkte radargegevens in de IWR1642 te laden voor signaalverwerking.

Verwerkingsketen voor radarsignalen

Alhoewel de keuze voor de hardware-accelerator van de IWR1443’of de C674x DSP kern van de IWR1642 afhankelijk is van de unieke vereisten van iedere toepassing, zal de werking van het geselecteerde apparaat in een toepassing voor de meeste ontwikkelaars vrijwel geen geheimen kennen. In de architectuur van de mmWave-oplossing van Texas Instruments kan de TI mmWave-software-omgeving de bronnen van elk van de apparaten gebruiken voor het uitvoeren van functionele modules, gegevensverwerkingseenheden (data processing units - DPU's) genoemd, die verantwoordelijk zijn voor individuele gegevenstransformaties die doorgaans worden gebruikt bij radarsignaalverwerking. Kernfuncties van de TI mmWave DPU's zijn onder meer:

• Range FFT (Bereik FFT): deze functie leest chirp-gegevens gedurende de acquisitieperiode binnen het actieve frame om de voor de berekening van het bereik gebruikte eendimensionale FFT te genereren en de radargegevenskubus te produceren. Dit is een driedimensionale (3D) matrix van bereik, chirp en antennegegevens die is opgeslagen in het speciale L3-radargegevensgeheugen.
• Static clutter removal (Statische clutterverwijdering): deze functie trekt de gemiddelde waarde van de samples af van de sampleset.
• Doppler FFT: deze functie voert 2D FFT-berekeningen uit om de radarkubusgegevens tussen frames te verfijnen en genereert de door algoritmes voor radarobjectdetectie gebruikte detectiematrix.
• CFAR: deze functie voert het algoritme voor constante vals-alarm-frequentie (CFAR) uit dat doorgaans wordt gebruikt voor objectdetectie.
• CFAR cell-averaging (CFAR-celmiddeling): deze functie combineert de AoA met de CFAR-module om het algoritme voor CFAR-celmiddeling (CFAR-CA) te implementeren dat doorgaans door radarsystemen wordt gebruikt om objecten te detecteren tegen achtergronden met veel ruis.
• Aanvullende DPU's voor clustering, groeptracering en classificatie bieden verdere, toepassingsspecifieke verfijningen van radarsignaalgegevens.

Met de TI mmWave-software-ontwikkelingskit (SDK) gebruiken ontwikkelaars oproepen naar de applicatie-programmeer-interface (API) van de datapadmanager (DPM) om verschillende DPU's te combineren om de vereiste detectie- (of data-) verwerkingsketen (DPC) te verkrijgen. De implementatie van een DPC voor objectdetectie (Afbeelding 5) vereist bijvoorbeeld slechts een paar basisoproepen, zoals gedemonstreerd in de voorbeeldcode die is opgenomen in de mmWave SDK-distributie (Lijst 1) van Texas Instruments.

Afbeelding 5: een typische verwerkingsketen voor objectdetectie combineert separate gegevensverwerkingseenheden (data processing units - DPU's) die radarsignaalverwerkingsfuncties zoals range FFT-berekeningen uitvoeren gedurende de acquisitieperiode, alsmede andere gegevenstransformaties in de periode tussen frames in. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Kopieer
    for(i = 0; i < RL_MAX_SUBFRAMES; i++)
    {
        subFrmObj = &objDetObj->subFrameObj[i];
 
        subFrmObj->dpuRangeObj = DPU_RangeProcHWA_init(&rangeInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
 
        subFrmObj->dpuStaticClutterObj = DPU_StaticClutterProc_init(errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
 
        subFrmObj->dpuCFARCAObj = DPU_CFARCAProcHWA_init(&cfarInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
        
        subFrmObj->dpuDopplerObj = DPU_DopplerProcHWA_init(&dopplerInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
 
        subFrmObj->dpuAoAObj = DPU_AoAProcHWA_init(&aoaInitParams, errCode);
 
        if (*errCode != 0)
        {
            goto exit;
        }
    } 

Lijst 1: een voorbeeldcode zoals dit stukje code, inbegrepen in mmWave SDK-distributie van Texas Instruments, illustreert het basisontwerppatroon voor het creëren van een DPC door een set van DPU's toe te voegen aan een ObjDetObj struct. (Code: Texas Instruments)

Softwarediensten binnen de gelaagde software-omgeving implementeren DPU's automatisch met behulp van het DSP-subsysteem (DSS), het master-subsysteem (MSS) en de accelerator of een combinatie (Afbeelding 6). Op het toepassingsniveau gebruiken ontwikkelaars de mmWave API voor toegang tot DPU-resultaten van een volledig geconfigureerde DPC of verschaffen zich direct toegang tot mmWave front-end via de mmWaveLink API.

Afbeelding 6: de mmWave-omgeving van Texas Instruments biedt meerdere interfaces voor de programmering van toepassingen (application programming interfaces - API's) die de details van de bewerkingen van het radarsysteem verbergen om de ontwikkeling van bewegingsdetectietoepassingen te vereenvoudigen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Voor een bepaalde toepassing is een van de belangrijkste services van mmWaveLink de configuratie van de interne radartiming-engine die FMCW-chirps en chirp-frames genereert. Zoals al eerder opgemerkt zijn de eigenschappen van chirps en chirp-frames bepalend voor de prestaties van objectdetectie, maar praktische beperkingen betekenen dat de selectie van bepaalde prestatie-instellingen beperkingen in andere aspecten veroorzaken.

Omdat het maximale detectiebereik bijvoorbeeld omgekeerd evenredig is met de frequentiehelling, moeten ontwikkelaars die detectie over een groot bereik nodig hebben, de frequentiehelling minimaliseren. Dit heeft echter invloed op de bandbreedte van de chirp-frequenctie-sweep, resulterend in een verminderde resolutie aangezien de resolutie van het detectiebereik evenredig is aan die bandbreedtekarakteristiek. Geoptimaliseerde specificaties voor chirps en chirp-frames zijn dan ook een kritieke factor bij het ontwerpen van radars, waardoor ontwikkelaars gedwongen zijn om een aantal chirp-kenmerken uit te balanceren (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: bereik en resolutie van objectdetectie hangen in grote mate af van de eigenschappen van de verzonden chirp, en dwingen ontwikkelaars om te instellingen in de chirp-generatorconfiguratie met zorg te optimaliseren. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Texas Instruments biedt niet alleen een online tool voor schatting van de mmWave-detectie voor het evalueren van chirp-instellingen, maar ook een uitgebreide chirp-database met aanbevolen chirp-configuraties voor specifieke toepassingsgevallen in (in de industriële toolbox voor mmWave-sensors). Ontwikkelaars vinden hier referentie-ontwerpen en voorbeeldcodes voor toepassingen die gaan van gebarenherkenning met hoge resolutie tot lange-afstand verkeerscontrole. De rond mmWave BoosterPacks opgebouwde voorbeeldtoepassingen bieden ontwikkelaars de mogelijkheid om de prestaties van mmWave snel te evalueren en de referentie-ontwerpen aan te passen voor hun eigen toepassingen. Voor het evalueren van gebarencontrole kunnen ontwikkelaars bijvoorbeeld een IWR1443 BoosterPack (IWR1443BOOST) evaluatiemodule (EVM) aansluiten op een USB-aansluiting op hun Windows pc, kant-en-klare firmware uploaden en de detectie van complexe gebaren zoals bijvoorbeeld het ronddraaien van een vinger onderzoeken (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: door een IWR1443BOOST EVM van Texas Instruments en beschikbare voorbeeldcode te gebruiken, kunnen ontwikkelaars toepassingen van mmWave-technologie voor dynamische gebarenherkenning met hoge resolutie onderzoeken, bijvoorbeeld het gebruik van een ronddraaiende vinger om een beeldvormingssysteem aan te sturen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Voor gebarenherkenning kan de IWR1443BOOST EVM als exclusief hardwareplatform dienen. In andere voorbeelden demonstreert Texas Instruments het gebruik van een mmWave BoosterPack in combinatie met de LaunchPad-ontwikkelingskits. Een toepassing voor het traceren van personen combineert bijvoorbeeld een IWR1642BOOST EVM met een draadloos LAUNCHXLCC1352R1 MCU LaunchPad om de detectie en tracering van personen vanaf een extern radarsysteem te demonstreren. Dit referentie-ontwerp demonstreert de invloed van verschillende chirp-instellingen op het uitbreiden van het maximumbereik ten koste van de resolutie (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: Een mmWave-voorbeeldtoepassing van Texas Instruments biedt meerdere chirp-configuraties, om ontwikkelaars de mogelijkheid te bieden om de relatie tussen chirp-kenmerken en detectieprestaties te onderzoeken. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Conclusie

Millimetergolftechnologie biedt voordelen ten aanzien van bereik en nauwkeurigheid die veel verder gaan dan de voordelen die met eerdere methoden konden worden verkregen. Meerdere problemen en ontwerpuitdagingen op zowel hardware- als softwareniveau hebben er echter toe geleid dat ontwikkelaars slechts beperkt gebruik maken van deze technologie. De beschikbaarheid van mmWave-apparaten, ontwikkelingstools en een uitgebreide software-omgeving van Texas Instruments maakt de barrière voor de implementatie van geavanceerde objectdetectie en traceringstoepassing met behulp van mmWave-technologie nu aanzienlijk lager.