【導讀】在自動駕駛汽車領域中，大部分科技媒體報道所談論的系統(tǒng)，對多數(shù)讀者來說，感覺就像科幻故事。我們曾讀過有關激光雷達傳感器結合機器學習及人工智能在道路上識別物體的報道。也曾深感敬畏地研究過一些奇特的傳感器陣列，它們結合了 GPS、地圖軟件，以及持續(xù)更新的交通路況系統(tǒng)，從而為汽車提供導航。但我們卻很少聽過通常獨立執(zhí)行單項任務，對自動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)。
最初在車內部署安全氣囊系統(tǒng)時，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。起初當檢測到碰撞時，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^其提供的保護。因此，副駕駛座開始加入能手動關閉氣囊的設計。但是，駕駛員可能會忘了做這個必要的動作。而且一旦關上氣囊，當乘客是成年人時，駕駛員可能會忘了把氣囊打開。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。例如，如果乘客向儀表板傾斜，則安全氣囊應以較小的力道展開。有很多方法可以做到這一點。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，甚至能分辨兒童座椅和真人。有些公司則提供能感應乘坐壓力和乘坐位置的座位氣囊。有些公司提供結合紅外攝像機（因為必須在黑暗中工作）的座位傳感器，能識別出身體的姿態(tài)。
隨著時間的推移，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)在可以提供一個連接到安全氣囊裝置的完整系統(tǒng)。雖然自動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為乘客提供保護。
了解智能傳感器系統(tǒng)
基本傳感器系統(tǒng)包含一個可從外部模擬世界收集數(shù)據(jù)的傳感設備。當進行完信號處理（例如放大、濾波或清除），會將生成的模擬數(shù)據(jù)發(fā)送到車內的另一個系統(tǒng)。
智能傳感器系統(tǒng)增加了模數(shù)電路（A-D），可為運行軟件的處理器提供信號，以便分析信號并做出決策（圖 1）。有了處理器和軟件，該系統(tǒng)便實現(xiàn)了智能化。然后，數(shù)字信號通常會連接到車內的汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)，其中傳感器數(shù)據(jù)會進一步作為另一個系統(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)會實時收集有關乘客的數(shù)據(jù)，并使用嵌入式處理器上運行的軟件對其進行分析。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，則智能傳感器系統(tǒng)會通過汽車網(wǎng)絡發(fā)送該警報。安全氣囊系統(tǒng)會針對該警報打開或關閉安全氣囊，或者修改充氣設置來增加或減小安全氣囊展開力道。
最后，為汽車市場開發(fā)智能傳感器系統(tǒng)的各家公司通常會以定制 IC 為目標，進而降低成本、尺寸和功耗。智能傳感器的典型特征是，傳感設備使用 MEMS 來實現(xiàn)，而其余電路則是采用以 CMOS 技術實現(xiàn)的模擬／混合信號 (AMS) 設計。
銜接多個領域
從小型團隊到大型公司，設計人員通過開發(fā)定制 IC，將新穎的智能傳感器創(chuàng)意推向巿場。這些設計人員，正在重塑用以支持智能傳感器系統(tǒng)的設計流程，他們心中懷有新的期望。他們通常在小型團隊工作，需要集成的設計流程，以便在盡可能減少開支的同時快速、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)驗證的概念驗證，才能利用汽車市場的巨大商機。設計團隊需要使用集成式設計流程快速實現(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)設計更低。
許多設計團隊紛紛采用 Tanner 的集成式 IC 設計和驗證解決方案來創(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)會涉及多個設計領域，因此極具挑戰(zhàn)性。但是，在同一硅片（圖 2）上創(chuàng)建一個既有采用傳統(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。實際上，許多此類系統(tǒng)會在單個封裝中集成多個芯片，將電子器件與 MEMS 設計分開。
圖 2：CMOS 版圖上的 MEMS 實例（來源：MEMSIC）。
Tanner AMS IC 設計流程（圖 3）支持單芯片或多芯片技術，因而有助于成功實現(xiàn)器件的設計和驗證。
圖 3：銜接了 AMS 和 MEMS 設計的自上而下 Tanner 設計流程。
在單個芯片上設計電子器件和 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 模型進行建模，而 MEMS 器件則采用可直接在物理領域（如機械、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，設計人員可以使用 System Model Builder 以及 SPICE 或 Verilog-A 中的解析方程來創(chuàng)建 MEMS 模型。結合 MEMS 仿真庫，設計人員就可以在初始階段就對整個設計是否符合預期予以驗證。
• 利用 MEMS PCell 庫，設計人員可以進行版圖設計。此外，Library Palette（圖 5）提供了許多 MEMS 器件的基本版圖生成器，您可以將其用作設計的初始模型。
圖 5：用于創(chuàng)建 MEMS 器件版圖的 Library Palette。
• 然后，設計人員可以生成一個三維幾何模型，以便進行查看、虛擬原型開發(fā)，以及導出到有限元分析 (FEA) 工具。
• Compact Model Builder 采用的是降階建模技術，利用該工具，設計人員可以根據(jù) FEA 結果創(chuàng)建行為模型，并將其用于最終系統(tǒng)級仿真中。
傳統(tǒng)上，系統(tǒng)設計的 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，直到獲得滿意的結果。但是，設計人員需要二維掩膜才能制造 MEMS 器件。他們如何從三維模型中衍生出二維掩膜呢？他們遵循圖 6 所示的 Tanner 以版圖為導向的流程，由于三維實體模型是由版圖和工藝步驟結合生成的，因此在器件制造過程中的每一步都是可視的，從而降低出錯的風險。
圖 6：以版圖為導向的 MEMS 設計流程。
從 L-Edit 的二維掩膜版圖開始創(chuàng)建器件。然后，3D Solid Modeler 會利用這些版圖和一系列的三維制造工藝步驟，自動生成器件的三維實體模型。導出該三維模型并使用您喜歡的 FEA 工具進行三維分析，如發(fā)現(xiàn)任何問題，可以進行迭代。對二維掩膜版圖進行適當?shù)男薷模缓笾貜土鞒獭Ｍㄟ^這個以版圖為導向的設計流程，設計人員可以將精力集中在一個可以工作的 MEMS 器件上，因為他們直接設計用于生產(chǎn)制造的版圖，而不是從三維模型進行逆向工作。
增加價值
設計人員使用 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，將整個系統(tǒng)置于 IC 上將卻導致價格降低。因此，團隊正在尋找創(chuàng)造更高利潤系統(tǒng)的方法。其中一種方法是傳感器融合：開發(fā)一個包含多個傳感器的系統(tǒng)，從而創(chuàng)造具有更高價值的產(chǎn)品。
以我們的壓力傳感器系統(tǒng)為例，設計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傳送至安全帶系統(tǒng)，以便在發(fā)生事故時自動收緊安全帶。此外，團隊可以加入一個加速計傳感器，這有助于在不依賴乘客姿勢的條件下計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現(xiàn)智能化，公司就能以更高的價格將這個多維度的解決方案提供給汽車制造商。
重點回顧
閱讀到有關自動駕駛的奇特系統(tǒng)雖然令人感到興奮，但其實單一用途的智能傳感器系統(tǒng)，才是真正實現(xiàn)自動駕駛的關鍵。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)會涉及多個設計領域（模擬、數(shù)字、MEMS 和潛在 RF），因此極具挑戰(zhàn)性。設計團隊紛紛采用 Tanner 的集成式 IC 設計和驗證解決方案來創(chuàng)建智能傳感器系統(tǒng)，因為它是一個可用于銜接這些設計領域的完整解決方案，從而
可以成功實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
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