技術頻道
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創新驅動器滿足PFC/THD要求 LED照明效能更精進
在LED技術出現之前,大多數照明應用都是根據使用的燈泡類型及耗電量來定義,但LED改變此觀點。如今,同樣的基本固態技術適用於低、中、高功率照明應用,提供更高能效與更好的亮度。
在高功率細分市場,如螢光燈管、路燈與泛光照明(Flood Lighting)的標準嵌入式燈具,以及其他形式的戶外照明,可能節省大量的電力。當考量到連接的方便性與可調輸出位準時,LED照明的實務案例就很難被取代。由於高能效,大多數LED照明應用可以用在小於100W的功率級解決,這非常重要,因為會直接影響到所需的電源轉換器、LED控制器與LED驅動器的拓撲結構。
穩定電流為LED挑戰
基本上,除白熾燈泡(直接採用交流電源運行)以外,大多數燈都需要某種電源轉換。雖然LED照明採用正極或整流電源運行(Rectified Supply),但其他大多數照明技術皆採用高壓/高頻的交流電源運行。因此通常有能量損失且能效低,但是對於同樣的亮度,LED消耗的功率要低得多,因此能夠採用低壓AC-DC電源。功率需求小於100W的燈通常採用單級返馳拓撲(Single-Stage Flyback Topology)。從交流轉換到直流電,同時提供恆定且穩定的電源,以減少閃爍,是從現有照明轉向LED的主要挑戰。
至少在短時間內,期許整個照明電路切換到直流電是不合理的,因此有必要為每個燈泡、燈具或嵌入式燈具開發轉換與驅動層級。最方便的方法,至少對使用者來說,是將這些元件整合到燈具中,或完美的整合到燈泡本身。
對於低於100W的應用,單級轉換器是最常見的拓撲結構(功率水準超過100W通常需要多級轉換器)。一個單級轉換器能涵蓋廣泛的應用,甚至是個別燈泡或打火機所需的極低功率。
在所有範例中常見的是需要提供功率因子校正(Power Factor Correction, PFC)與低總諧波失真率(Total Harmonic Distortion, THD);這些因子現在都由政府立法,但實際標準可能因地區而異。取決於應用消耗的功率,PFC與THD是強制性的,許多製造商正關注替代方案,例如LED正取代省電燈泡(Compact Fluorescent Lamps, CFL)。這在現有的物理空間方面存在重大挑戰,因為所有的AC-DC轉換與LED控制器/驅動器功能都需要整合到通常只由燈泡本身占用的空間中(圖1)。
圖1 LED燈泡內部
PSR簡化變壓器設計
由於空間限制與立法要求,LED內部功率轉換的首選拓撲是採用初級調節回授控制(Primary Side Regulation, PSR)的單級返馳轉換器。這能透過使用比次級調節回授控制拓撲更少的元件與更小的電容器來實現,半導體製造商現在提供一系列的元件來滿足此項需求。
PSR的一個優點是不需要任何次級端回饋,簡化變壓器的設計,毋須光電隔離。所採用的調節類型對於實現PFC與THD目標也很重要。為滿足要求,製造商正轉向非連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)。在這種模式下,儲存在變壓器中的電荷在交換電晶體(Switching Transistor)導通前完全耗盡,因此輸出二極體的電壓也達到零。這將造成沒有電流通過初級端或次級端的一段時間,即所謂的停滯時間(Dead Time),因此這種返馳拓撲被命名為非連續。它的優點是整個二極體沒有損耗,在輸出功率較低的應用中,可以產生相對較小的變壓器。
但是,它容易受到漣波電流(Ripple Current)的影響,會導致損耗。
谷值切換(Valley Switching)是DCM的延伸,當輸出電壓的振鈴處於最低值時使電晶體導通。這發生在停滯時間(Dead...
揮發性化合物氣體感測 空氣品質監控有一套
今天,最受歡迎的氣體感測器晶片應用與空氣品質監測相關,可以支援家庭和建築物自動化(Home And Building Automation, HABA)系統的運作,觸發空氣清淨機和淨化器,以及為智慧型手機等消費性裝置的生活和家庭環境應用提供數據。
現今應用中的氣體感測器晶片,通常是使用由金屬氧化物(MOX)材料製成的微加工(Micro-Machined)感測元件。在主動感測模式下,此元件會被加溫至150℃和450℃之間。在這樣的高溫下,感測元件的電阻會隨著暴露於各種類型的還原或氧化氣體而發生變化。藉由測量電阻的變化,就可以計算環境空氣中氣體濃度的相對值。在空氣品質監測應用中,這些單一元件氣體感測器能提供極高價值,艾邁斯半導體(ams)的MOX型CCS811氣體感測器(圖1)就是此類產品,這類氣體感測器提供兩個主要優點:
圖1 ams CCS811評估套件,結合感測器板(右)與USB-to- I2C橋接板(左)
.計算等效總揮發性有機化合物(eTVOC)值,測量環境空氣中的相對濃度,以十億分之一(ppb)計。
.計算等效二氧化碳(eCO2)值,用於測量環境空氣中的相對濃度,單位為百萬分之一(ppm)。
透過空氣淨化器或是智慧型恆溫器等設備的軟體演算法,可以從各種還原氣體的eTVOC測量中得到空氣品質指標或總體空氣品質分數。此外,針對人們所在的密閉空間,由於除非有來自外部的新鮮空氣流入,否則人們的呼氣往往會增加室內空氣的二氧化碳(CO2)濃度的濃度,因此eCO2測量是很可靠的替代措施。
這些相關氣體濃度的測量,已成功運用於需求控制通風(DCV)和空氣淨化系統的自動調節。這表明空氣品質監測技術的應用的確有其價值,不過,潛藏的更大的價值仍有待實現。進展取決於氣體感測技術在四個方面的發展。本文概述現今氣體感測器製造商的開發工作重點,並說明該技術在未來可能支援的全新應用以及可實現的改善。
市場需求驅動技術發展
促使感測器製造商快速研發的驅動力,來自客戶對於更好、可自動運作的通風和空氣淨化系統的需求。為滿足此一需求,氣體感測技術需改進以下方面:
.更高的選擇性
.更高的準確性和精度
.更高的靈敏度
對於選擇性的需求,源於人體對不同氣體的不同反應。以氣體感測器為例,透過大量安裝,可以測量所有的揮發性有機化合物(VOC)。「揮發性有機化合物」這個名詞涵蓋多種氣體:它們的作用可能僅限於引起輕微不適,但對健康沒有影響。的確是這樣,例如,人體產生的氣體,像是口臭就是散發令人不快的氣味。
但揮發性有機化合物類別還包括有害化學物質,例如苯,這是一種已知的致癌物質,存在於香菸煙霧和汽車引擎的廢氣中,如(圖2)所示。
圖2 車輛排出的廢氣是造成城市地區空氣品質欠佳的原因之一
使用氣體感測器區別有氣味但無害的VOC,以及有毒VOC揮發性有機化合物,如此將能夠開發出更佳的空氣品質監測系統,該系統可以根據空氣的危害性,提供漸進式的緊急和嚴重程度信號給使用者,且功能更強大的HABA系統能夠在沒有使用者介入的情況下,自動將有害氣體排出室內空間。
氣體感測器測量的準確性和精度,會影響使用者對於空氣品質監測設備提供的資訊價值的評價。現今的氣體感測器IC可以提供多種指數,將空氣品質分為乾淨、中等或惡劣。VOCs和CO2濃度測量的準確性,足以確保隨著時間推移,以及環境溫度和濕度的變化,這三個指數仍能維持一致性和準確度。
但是,如果空氣品質評等是「中等」,用戶可能會不知該採取哪些措施。空氣近乎乾淨,所以不需採取任何行動?或者是接近惡劣且快速惡化,所以應該採取緊急行動讓該區域通風?
更正確和精確的測量,能夠為終端使用者提供更有用的指示。更高的靈敏度,使得監測設備能檢測出濃度極低卻極端有害或令人不適的氣體,進而提高對終端使用者的價值。此一目標的達成涉及幾個關鍵標準。
氣體感測器開發重點
須針對氣體感測器的四個層面進行研發,使新裝置具有更高的選擇性、準確性和精確度以及靈敏度。
首先,是材料科學領域的專業知識:需要更新的、更佳的感測材料來代替或是輔助現今氣體感測器晶片核心所使用的MOX材料。新型的感測材料可以透過辨識特定氣體來提供更高的選擇性;如果比較不易受到雜訊或是污染的影響,則可以提高準確度;又或者如果它們能夠辨識比較低濃度的單氣體或多種氣體,則可以提高靈敏度。
第二個研究是半導體設計及製造商所熟悉的微型化。以多氣體感測器陣列取代現今的單一元件感測器,可以實現更高的選擇性。
但是用於氣體感測器的主機設備(例如行動電話、智慧音箱或LED燈具)受到空間限制,所以氣體感測晶片或模組能占有的空間不會比現在大。現今單一感測元件的面積通常約是1mm2:感測器晶片製造商面臨的挑戰是在相同的占板面積中容納多感測器陣列。
將相對濕度感測功能整合進包含多氣體感測元件的同一晶片或封裝中,則是第三個挑戰。濕度變化對氣體感測器測量有顯著影響,這就意謂著須使用補償演算法來提高輸出精度。如果能在取得氣體樣本的相同位置取得濕度樣本,則能增進這些演算法的有效性:這有助於提高檢測準確性。
將濕度感測整合至多氣體感測封裝中,還能減少氣體感測電路的總占板面積並減少元件總數量。
最後,氣體感測器製造商須持續改進演算法的範圍和效能,這些演算法是用來將感測元件的原始電阻測量值轉換及校正為環境空氣的氣體濃度數值。在下一代氣體感測器中,這些演算法需要整合多氣體感測器陣列及整合型相對濕度感測器的輸入:相較於以前的氣體感測器系統,執行這些日益複雜的演算法需要更強大的處理能力。
室內空氣品質精準調校
感測器製造商目前正在研發本文所述的這些技術特性改善。在商用氣體感測器晶片和模組實現這些技術特性,將能使新的空氣品質系統提供更佳的效能,其中包括:
.針對空氣品質變化提供更精確的漸進式響應。
.更準確地測量污染和其他空氣品質危害,為用戶提供更一致的室內環境體驗。
.快速排出危險或有毒氣體,如此能提供更健康、更安全的室內空氣,而這是現今氣體感測器無法做到的。
現今市場上MOX氣體感測器的功能,以及其所支援的空氣品質管理應用,顯現出了消費者、商業和工業市場對自動化和監控解決方案的需求,這些解決方案能夠產生更乾淨、更舒適的室內空氣。
氣體感測技術的發展將催生更強大的感測器晶片和模組,這些產品所提供的正確度、精度、靈敏度和選擇性皆將高出目前的設備,屆時此方面需求將更為強烈。
(本文作者為ams AG環境感測行銷經理)
滿足V2I應用需求 802.11ax巧扮連網橋梁
汽車無線連結能力必須符合下列三大條件,首先是速度必須夠快,支援享受豐富刺激多媒體服務所需的資料傳輸速率;其次,在要求更為嚴苛的環境中(與消費性電子產業相比),維持高穩定度;最後則是安全性必須提高,才能保護傳輸/接收的資料。
汽車聯網須滿足三大要素
路上有越來越多的車輛使用高階無線連結能力,資料耗用量因而大增,取得足量的可用空中媒體成為一大技術挑戰。每一台車都需要與其他鄰近車輛共用網路,而在車輛堵塞率高的地區,可能必須與數百台車共用網路。
其中一個解決辦法,就是透過使用LTE/5G通訊技術。然而,這個方法是否有經濟可行性仍不確定,因為它仰賴使用獲得授權的無線網路。這可能會造成財務支出增大,並對不同服務相關的商業模式產生不利影響。
現在,新興的802.11ax Wi-Fi標準儼然成為替代解決方法。此標準已針對高使用者密度的狀況最佳化,相較於先前的Wi-Fi技術,顯然有更優異的能力與增進更多的頻譜效率。由於採用正交頻分多址(OFDMA)調變,其可同時處理大量的資料串流。此外,其多通道MIMO(MU-MIMO)能力可大幅提高整體覆蓋率。
具OFDMA功能 802.11ax實現車聯網應用
藉由使用802.11ax,可透過更符合經濟效益(相較於透過採用蜂巢網路)的方式來運用車對路(V2I)通訊。此外,該標準支援低延遲操作,這代表駕駛人(或車輛的ADAS系統)可即時發現潛在問題(如車前意外),原因在於其可在鄰近車輛或基礎設施之間傳輸資訊;之後駕駛人或相關系統即可採取適當回應,進而避免危險發生。此連結能力也同樣可運用在車載資通訊/分析活動。
從眾多散布在現代化車輛中的不同感應器取得的所有資料均可安全傳回雲端(以便製造商確認效能指標、評估提供下一次維護的時間,或找出任何急需解決的顯著問題)。車輛如同802.11ax基地台(STA),可將此類資料上傳至任何鄰近的802.11ax存取點(AP),而不會發生目前應用現況中因其他車輛皆競相爭用AP頻寬所致的延遲問題。空間、頻率及時間重複使用均可受惠於802.11ax所支援的OFDMA與MU-MIMO技術,媒體可與其他各方共用,而非只是彼此爭用。
802.11ax連結能力的另一項功能是在車輛出廠後,可提供車輛韌體無線更新。汽車製造商總是持續改進其車款;因此,車廠希望在每台車輛的生命週期中推出每個新功能時,都能即時實施部署。
如此一來,車輛的使用年限就可延長,更換週期也會比像智慧型手機之類的產品長上許多。為車輛實施新功能並不需要將車輛駛回經銷商處;在經銷商處實施新功能必須直接透過纜線介面執行,對車主來說不僅極其不便,也會因技師必須親自執行這項作業,而產生必定可觀的成本。定期透過無線更新套用韌體會是更好的選擇;只要有足夠的頻寬和安全性即可。
經由安全可靠的無線平台對所有相關車款同時進行無線更新,對製造商而言有著顯著的後勤與經濟效益。車主對此必然也會欣然接受,因為他們不必抽空把車輛駕回經銷商處進行更新。即使需要在車輛售出之前進行更新(車輛入港等候運送時,或停放在製造廠的車輛存放場時),相較於直接接觸實體的方式,以無線方式更新的好處也顯而易見。由於執行工作所需的人力資源更少,作業效率將會高出許多,同時也可節省可觀的時間成本與費用。
802.11ax提升使用者體驗
現在我們再回到車輛乘員及其需求上。 對於與國內環境現況應用類似的方法,需在車內提供的Wi-Fi端點數量大幅增加,因此,連結能力必須相應進化。相較於前幾代技術,802.11ax存取點具備OFDMA能力,將可連結至更多的手持式裝置。因而可在傳送數位娛樂內容的同時,確保提供良好的使用者體驗,並避免任何讓人沮喪的狀況發生。
為此,802.11ax無線晶片供應商便致力推出相關解決方案,如Marvell旗下的88Q9098,是與AEC-Q100 Grade 2相容的系統單晶片(SoC),包含2×2plus2×2同步雙Wi-Fi,以及雙模式Bluetooth 5/Bluetooth Low Energy(BLE)與802.11p功能,可提供千兆級的資料供應能力(圖1)。
圖1 88Q9098功能方塊圖表
綜上所述,802.11ax通訊協定意味著民眾在住家/辦公室享有的Wi-Fi效能體驗和在車內可獲得的存取體驗,不再有差異。 藉由實施汽車最佳化解決方案,無縫無線連結能力有可能獲得實現,且民眾針對某些生活層面所依賴的服務,也可有效普及化,民眾可隨時隨地皆可獲取到。
(本文作者皆任職於Marvell)
先進訊號演算法展妙用 汽車雷達抗干擾能力大增
汽車雷達通常會遭受拒絕式或欺騙式干擾。拒絕式干擾會致盲因而損害車輛雷達。這種技術會降低訊號雜訊比,導致目標檢測的概率降低。另一方面,欺騙式干擾會讓車輛雷達「認為」存在虛假目標,使車輛雷達失去追蹤真實目標的能力,故而車輛的行為受到嚴重影響。
這些干擾可能源於汽車雷達之間的相互干擾,或者是使用廉價的硬體簡單地將強連續波(CW)訊號指向車輛雷達而故意發生的攻擊。雖然目前的避干擾技術可能足以因應這些情況,但隨著雷達感測器的激增,汽車將會需要使用彈性類型的緩解技術,或者此類技術與避干擾方法的結合使用。相關彈性技術包括時頻域訊號處理或複雜雷達波形。
依據雷達波形判定有無干擾情況
雷達波形是判斷感測器在有干擾情況下性能的關鍵系統參數之一。當今77GHz頻段的汽車雷達主要使用FMCW型波形。在FMCW雷達中,CW訊號在射頻段的頻率上線性掃描。圖1顯示了一個FMCW Chirp序列(CS)波形例子。
圖1 FMCW CS示例
回波訊號的頻率差(fb, 拍頻)與到目標的距離R成比例,可透過以下公式(1)確定:
公式(1)
密集環境產生之干擾影響
在密集射頻環境中,當FMCW雷達感測器在頻帶的相同部分中工作時,就會發生干擾。一個典型迎面而來的汽車干擾範例參見圖2。
圖2 a為FMCW拒絕式干擾;b為FMCW欺騙式干擾。
拒絕式干擾
落入接收機頻寬的任意FMCW型強干擾訊號會提高受害雷達的本底雜訊。這種拒絕式干擾可能導致小目標(即雷達散射截面(RCS)較小)因為SNR很差而消失。拒絕式干擾也可以是故意為之,簡單地將一個強CW訊號射向受害車輛FMCW雷達就能做到。對受害雷達的影響類似於FMCW干擾情況(圖2)。
欺騙式干擾
如果干擾訊號掃描是同步的,但與受害雷達一同延遲,那麼其影響將是在固定距離產生欺騙性假目標,這種技術在電子戰干擾機中很常見。類似類型迎面而來的汽車雷達將成為非故意的干擾機,然而,受害雷達和干擾雷達之間時間對齊的概率將非常小。小於受害雷達最大距離延遲的干擾機延遲偏移看起來可能像真實目標。例如,200m最大距離要求掃描對齊誤差小於1.3μs,然而,將複雜的類似電子戰的設備安裝在迎面而來的汽車平台上,便可故意開展這種欺騙式攻擊。
更一般地的是欺騙式干擾基於對受害雷達訊號的重新傳輸,不過其延遲和頻率發生了系統性改變。這可以是非相關的(這種情況下的干擾機被稱為應答器),或是相關的(這種情況下的干擾機被稱為中繼器)。中繼器接收、改變並重新傳輸一個或多個干擾訊號,而應答器是在干擾機檢測到目標受害雷達訊號時傳輸一個預定訊號。
基於中繼器的複雜攻擊通常需要數位射頻記憶體(DRFM)。DRFM能夠執行協調距離延遲和多普勒波門拖引攻擊,因此,它會維持虛假目標距離和多普勒特性以欺騙受害雷達。
干擾緩解技術
基本的雷達干擾緩解技術主要依賴於避干擾方法。其目標是降低空間、時間和頻率重疊的可能性,例如:
.空間:
使用較窄電子掃描波束可降低干擾風險,遠端汽車巡航控制(ACC)雷達典型視野為±8O,儘管如此,強干擾訊號仍可透過天線旁瓣造成有效干擾。
.時間:
隨機生成FMCW啁啾斜率參數以避免週期性干擾。
.頻譜:
隨機生成FMCW啁啾起始和停止頻率,以降低重疊和干擾的概率。
隨機化的基本方法會避免與其他雷達意外同步,但是在密集射頻環境中可能不那麼有用。因此,越來越多的雷達感測器需要更複雜的彈性技術來緩解干擾。
檢測並修復為另種避干擾方法
另一種避干擾方法是利用訊號處理演算法修復接收到的波形。時頻域技術可以有效應對拒絕式干擾攻擊,在迎面而來的汽車FMCW干擾情況下,干擾機掃描所有頻率槽的時間非常之短。這種快速時變訊號在常規FFT域中表現為升高的本底雜訊,時頻域訊號處理技術將該訊號轉移到另一個域,與FFT域相比,在該域中更容易濾除干擾(圖3)。
圖3 雷達回波IF波形的FFT和STFT域
對於時變訊號,短時傅立葉轉換(STFT)比常規FFT能提供更多資訊,基於STFT的技術可用於消除窄帶干擾;STFT基本上是讓一個視窗移動通過訊號,以獲取視窗區間的FFT。在頻域中對訊號進行濾波以去除干擾分量,然後將其轉換回時域。圖4顯示了重疊射頻啁啾序列的典型FMCW干擾情況,以及由此產生的STFT域中的IF拍頻訊號。
圖4 STFT域,左為FMCW雷達和干擾機,右為IF域。
可以看到,圖4的右側顯示了IF域,其為雷達①和干擾②訊號混頻的最終結果。水平線表示目標,而V形垂直線表示存在干擾訊號。類似或相反方向的干擾FMCW,甚至類似CW的慢速啁啾,對IF訊號有類似的影響。在所有這些干擾情況中,快速移動的V形IF訊號會提高常規FFT域中的本底雜訊。可以使用基於幅度的遮罩來濾除STFT域中的干擾訊號。當然,前提是受害雷達前端和量化部分具有足夠的動態範圍來同時線性地處理較強的干擾訊號和較小的預期目標訊號(圖5)。
圖5 STFT域中基於幅度的遮罩。
圖5上方圖像顯示了一個強干擾訊號,而下方圖像顯示了處理後的STFT。在有強干擾的情況下,如上方圖像所示,多個真實目標不可見。在下方圖像中,V形干擾訊號被消除;當轉移回時域時,低SNR目標現在已可辨識。在拒絕式干擾情況中,可以利用基於STFT的干擾緩解技術來應對強干擾,不過,針對欺騙式干擾攻擊,單憑STFT無法驗證返回訊號是真還是假。
運用加密射頻以驗證訊號真實度
降低中繼器欺騙式干擾攻擊影響的基本對策是使用低概率攔截(LPI)雷達波形。LPI雷達的主要目的是將輻射能量擴散到很寬的頻譜上以規避檢測,通常採用准隨機掃描、調製或者是跳頻序列。FMCW是一種LPI波形,如果將相位編碼或是加密引入頻率啁啾,則可以進一步降低DRFM攔截汽車雷達訊號的機率。
每個雷達感測器獨有的加密射頻特徵可以驗證返回訊號的真偽。圖6顯示了一個使用案例,其中兩個相同雷達(安裝在不同汽車上)之間有頻率偏移和延遲,在受害雷達中產生一個假目標,干擾雷達與受害雷達在時間上是對齊的(相同的啁啾斜率且偏移較短)。
圖6 存在頻率偏移和延遲的相同雷達所引起之干擾
在這種情況之下,相位編碼FMCW雷達可以提供很高的抗干擾強固性。使用正交碼還能讓MIMO雷達操作變得可行,從而支持多個波形同時發射。而編碼要求則是包括以下幾點:
1.碼長:目標是利用短序列實現最小距離旁瓣位準。1024的PRN序列長度導致峰值旁瓣電平(PSLL)約為30dB。可以優化發射碼和接收濾波器權重,以SNR為代價來改善PSLL。
2.良好的交互相關特性:為實現感測器之間的良好隔離,一個集合的成員的交互相關係數應為零。
3.抗多普勒效應能力:相位編碼雷達性能可能受多普勒頻移的影響,二進位碼對多普勒效應的耐受能力差,多相碼的性能衰減速度比二進位碼要慢。
4.可用的不同碼數量:規模大的比較好,可以為每個雷達感測器分配唯一編碼。
圖7顯示了無相位編碼的雷達回波。干擾訊號顯示為一個假目標,當利用PRN序列對發射機FMCW波形進行相位編碼時,可以抑制干擾訊號,如圖8所示。
圖7 未對真偽目標進行相位編碼的雷達回波
圖8 有和無相位編碼之雷達回波
這種方法會影響動態範圍。然而,雷達訊號處理器可以對幾個啁啾訊號使用相位編碼FMCW以標記假目標,然後切換回正常操作。
強化雷達抗干擾能力 緩解技術不可或缺
使用先進訊號處理演算法和複雜波形生成技術,可以緩解擁擠汽車雷達感測器環境中的干擾。基於STFT的訊號處理技術可用來因應拒絕類型的攻擊。相位編碼FMCW借助處理增益和避免攔截措施,對非相干和相干欺騙式攻擊均提供額外的抵禦層,表1是對緩解技術的總結。
上述針對汽車雷達的干擾緩解原則也適用於其他雷達感測器環境,例如機器人、道路收費、GPS、無人機著陸或防撞系統。目前,汽車雷達感測器在非合作模式下運行,彼此之間不通訊。雖然合作運作模式需要整個產業協調,但雷達感測器之間的仲裁可協助解決干擾問題。
包括感測器合作在內的未來雷達概念將是通訊節點和雷達感測器的融合。使用複雜波形的未來雷達也可以將資訊包含在雷達訊號中。同一硬體可以同時用於雷達和通訊(RadCom)。RadCom為雷達和通訊功能同時執行的單一系統,特性包括:
.多用戶能力,無干擾。
.利用OFDM或類似通訊碼對雷達訊號進行編碼,為在雷達訊號中包含資訊提供了可能性。
.基於OFDM的雷達發射訊號使得二者可以同時進行。
基於上述原因,汽車雷達供應商積極研發相關解決方案,以ADI為例,該公司旗下5G毫米波收發器訊號解決方案具有超過GHz的頻寬和波束引導能力,可能成為RadCom系統概念的潛在候選者。像是Drive360 28nm CMOS雷達平台,支援多種高階訊號處理整合,甚至是自訂IP整合,使設計人員能夠區分其系統,而且搭載高整合電源管理輔助晶片。該平台可使一級供應商產品和原廠產品具備優良的性能,以打造可靠的解決方案。
(本文作者為ADI資深射頻系統工程師)
5G規格陸續拍板 克服NR設計挑戰有訣竅
5G世代正席捲而來,大幅改善了4G的功能。隨著5G NR(New Radio)標準初始版本(納入3GPP Release 15規範中)於2017年12月首次發布,其實體層規格也逐漸成形。第15版規格主要著重於增強型行動寬頻(eMBB)和超可靠、低延遲通訊(URLLC),以實現超快的資料速率,並提供超低延遲的無線通訊。
這些新規格為裝置和元件設計人員帶來了新的挑戰。除須根據新標準進行設計外,還須驗證各種測試案例的協定,並且驗證射頻效能,以便提供預期的服務品質。
以上所述的這些因素,使得量測變得更具挑戰性。大規模MIMO(Massive MIMO)和波束控制技術的興起,帶來了波束管理的挑戰;而毫米波(mmWave)頻率的應用,則對訊號品質構成挑戰。此外,過去使用纜線進行的測試,現在則須透過空中介面(OTA)來完成,這一切都使得驗證變得更加困難。
雲端運算、人工智慧(AI)和機器學習、擴增與虛擬實境、物聯網,以及全球數十億個連接裝置等新興技術,正以前所未有的速度推動無線通訊系統的發展。5G NR適合那些應用?5G技術旨在提供更快速、可靠和幾近於即時的連接,最終將讓所有人緊密相連。人們可即時體驗線上活動和遊戲;手機和視訊通話可以拉近每個人的距離;而具人工智慧的智慧型裝置則可為每個人打造客製化和個人化的環境。
5G NR實體層部署是關鍵
5G NR預計將與4G一同運作,甚至利用4G用於非獨立模式(NSA)中的資料和控制平面的核心網路。專家預測5G、4G和Wi-Fi將共存於相同的載波,並利用免許可頻段來增加6GHz以下頻段的容量。5G NR第15版規格(R15)為實現未來5G通訊的靈活性打下了基礎。實體層是採用5G NR的第一步,它非常重要,因為它定義了組成無線訊號的結構,以及訊號透過空中介面進行通訊的方式。
在實體層中部署裝置設計的挑戰包括:
.靈活的時間和頻率間隔可實現低延遲,但它伴隨著複雜的通道編碼、訊號品質挑戰和無數的測試案例。
.頻寬成分(Bandwidth Part)是有效利用頻譜的關鍵,但它也帶來了新的共存問題。
.Massive MIMO和毫米波波束控制技術可實現更高的傳輸速率和更大的容量,卻也帶來了波束管理的新挑戰。
.毫米波頻率可提供更大的通道頻寬,但是在訊號品質和OTA測試需求方面帶來新的挑戰。
5G NR技術優勢多
NR R15規範了一個新的無線電,以實現更高資料傳輸速率和低延遲的使用案例。實現更高資料傳輸速率的關鍵是,增加高達52.6GHz的毫米波頻譜。在這些較高的頻率上,有更多的連續頻譜可用於經由通道傳送更多的資料。R15規範了高達400MHz的最大載波頻寬和多達16個可聚合成800MHz頻寬的子載波。另外,時槽結構的靈活性和可擴充性,將有助於支援5G多元的新使用案例。圖1顯示出不同的規格,對於提供靈活且可擴充的實體層有何幫助,並且顯示5G NR的明顯優勢。
圖1 5G NR R15的技術及其優勢。
5G NR定義循環前置碼正交分頻多工(CP-OFDM)可作為下行鏈路(DL)和上行鏈路(UL)的調變格式(或波形)。CP-OFDM已廣泛用於DL傳輸,但仍極少用於行動裝置的UL傳輸。在UL和DL中使用相同的波形,有助於在未來的版本中實現更簡單的裝置到裝置通訊。延遲擴展正交分頻多工(DFT-s-OFDM)也被指定為UL的候選波形。它使用單一傳輸,在功率受限的情境中非常好用。
不同於4G,NR允許使用可擴充的OFDM參數集(μ),其中子載波間隔不再固定為15kHz。使用NR時,子載波間隔由2μ×15kHz子載波間隔控制。15、30和60kHz子載波間隔用於較低頻段,60、120和240kHz子載波間距則用於較高頻段。可擴充的參數集支援可擴充的時槽持續時間,以便最佳化不同服務等級的傳輸速率、延遲或可靠性。在較高頻率下,較大的子載波間隔也有助於提高波形的穩健性,因為在毫米波設計中,整合的相位雜訊可能是個問題。
圖2顯示不同子載波間隔,及相關傳輸時間間隔(TTI)如何縮放時槽的大小。OFDM系統使用循環前置碼(CP)來減輕通道延遲擴展和符號間干擾的效應。CP藉由同一符號的開始處重複符號的結尾,來提供緩衝以保護OFDM訊號免於遭受符號間干擾。雖然這樣會降低可獲致的資料速率,但可在整個CP長度中完全消除符號間干擾。在5G NR中,隨著子載波間隔持續改變,循環前置碼長度也相對應地擴大,因此可根據通道條件適整CP長度。
圖2 子載波間隔和持續時間的關係。
低延遲迷你時槽實現URLLC
超可靠的低延遲通訊(URLLC)是三種主要5G使用案例之一,它是一部分透過迷你時槽實現的。LTE傳輸遵循標準的時槽邊界,但它們並未針對最小延遲進行最佳化。圖3的標準時槽具有以深色標示的14個OFDM符號。隨著子載波間隔增加,時槽持續時間則相對減少,如淺色方塊所示。迷你時槽的持續時間比標準時槽短,並可位於時槽內的任何位置。迷你時槽可以是2、4或7個OFDM符號長度。迷你時槽可提供低延遲的有效酬載和立即啟動時間,毋須等待時槽邊界的開始。
圖3 子訊框內的時槽和迷你時槽及相關的時槽持續時間。
靈活的時槽結構平衡UL/DL需求
NR子訊框結構還允許在相同子訊框內,動態指派OFDM符號鏈路方向和控制。透過這種動態TDD機制,網路可動態地平衡UL和DL流量需求,並在同一個子訊框中包含控制和確認訊息。時槽格式指標(SFI)用於表示時槽中的給定OFDM符號是用於上行鏈路、下行鏈路,或是可彈性使用(圖4)。
圖4 可以混合使用時槽結構以便動態改善流量。
5G NR高頻寬應用多
在LTE中,載波頻寬較窄,最高為20MHz。聚合多個載波可創造更寬的通道頻寬,最高可達100MHz。在5G NR中,FR1(高達24GHz)的最大載波頻寬為100MHz,FR2(高達52.6GHz)的最高載波頻寬為400MHz。頻寬成分是5G NR新增的功能,其中載波可以根據不同用途進行細分。每個頻寬成分都可以有自己的參數集,並且可獨立發送訊號。一個載波可以有混合的參數集,以支援混合的服務,例如節能或免許可頻段中參數集和服務的多工。但是,在給定時間內,只有UL中的一個頻寬成分和DL中的一個頻寬成分處於活動狀態。頻寬成分將支援傳統的4G裝置與使用同一載波的新5G裝置。有了4G、5G和潛在的Wi-Fi多工服務,須盡可能減少頻內和頻外發射。圖5顯示頻寬成分如何支援給定載波中不同服務的一些範例。
圖5 頻寬成分可支援同一載波上不同服務的多工。
Massive MIMO/波束控制提高傳輸速率
就像任何前一代升級案例一樣,傳輸速率是促成5G通訊成功的關鍵。這需透過多種方式實現,包括使用更寬的整體通道頻寬,以允許更多的資料透過空中介面發送;空間多工,其中多個獨立的資料串流在給定的時間和頻率上,透過多個天線發送;並藉由使用增強的通道反饋來提高傳輸速率,因為訊號經過最佳化,並使用進階通道編碼進行傳輸,以提供更高的傳輸速率。Massive...
8位元MCU小兵立大功 LED驅動控制更精確/智慧
此外,整合的核心獨立周邊,與純類比或ASIC方案相比可顯著提升靈活性,擴展照明產品功能的同時塑造產品差異化,進而實現創新。這類智慧照明解決方案具備故障預測和維護、能量監測,色溫維持以及遠端通訊和控制等功能,功能之豐富不勝枚舉,因而備受市場青睞。
雖然LED驅動器與先前的照明解決方案相比具備諸多優勢,但其實現過程中也會面臨許多挑戰。而本文章主要目的在於,讓設計人員瞭解如何使用8位元MCU來輕鬆應對這些設計上的挑戰,進而打造出高性能的開關模式LED驅動解決方案。
8位元微控制器可獨立控制最多四串LED迴路,這是大多數現成LED驅動器控制器所欠缺的一項獨特能力。圖1中LED調光引擎可由微控制器中提供的周邊構成。這些LED引擎均具有獨立的封閉迴路,極少需要或是甚至不需要中央處理單元(CPU)干預即可控制開關模式電源轉換器。這樣可以釋放CPU以執行其他重要任務,比如系統中的監控功能、通訊功能或新增的智慧功能。
圖1 8位元微控制器控制四個LED串之示意圖
驅動控制由LED調光引擎主導
圖2中,基於電流模式升壓轉換器的LED驅動器由LED調光引擎控制。該引擎主要由互補輸出發生器(COG)、數位訊號調變器(DSM)、比較器、可程式設計斜坡產生器(PRG)、運算放大器(OPA)和脈寬調變器3(PWM3)等核心獨立周邊(CIP)組成。這些CIP與參考電壓源(FVR)、數位至類比轉換器(DAC)和捕捉/比較/PWM(CCP)等其他內建周邊一起組成完整的引擎。COG將高頻開關脈衝提供給MOSFET Q1,並將能量和供電電流傳輸給LED串。
圖2 LED調光引擎
COG輸出的開關週期透過CCP和工作週期設置,用於維持LED恒定電流,具體取決於比較器輸出。每當Rsense1兩端的電壓超過PRG模組的輸出時,比較器會產生一個輸出脈衝。PRG的輸入源自回饋電路中的OPA輸出,它被配置為斜率補償器,以在工作週期大於50%時抵消固有次諧波振盪的影響。OPA模組實現為具有II型補償器配置的誤差放大器(EA)。FVR用作DAC輸入,根據LED恒定電流規範為OPA同相輸入提供參考電壓。
為了實現調光目的,PWM3用作CCP輸出的調變器,同時驅動MOSFET Q2以使LED快速迴圈亮起和熄滅。調變操作可透過DSM模組來完成,調變後的輸出訊號饋送到COG。PWM3可提供工作週期可變的脈衝,用於控制驅動器的平均電流,實際上控制的是LED的亮度。LED調光引擎不僅可以實現典型LED驅動器控制器的功能,而且還具備解決LED驅動器典型問題的能力。現在,我們將探討這些問題並分析如何使用LED調光引擎來加以避免。
頻閃為驅動器主要挑戰之一
頻閃是典型開關模式可調光LED驅動器可能面臨的挑戰之一。雖然精心策劃的頻閃會帶來有趣的效果,但如果LED發生意外頻閃,則會破壞用戶期望的燈光設計。為避免頻閃並且提供平滑調光體驗,應該確保驅動器從最高檔位(即100%燈光輸出)一直到最低檔位的調光效果都是連續流暢的。
由於LED會瞬間回應電流變化並且不具有阻尼(Dampening)效果,因此驅動器必須具有足夠多的調光檔位才能確保人眼察覺不到變化。為了滿足這一要求,LED調光引擎採用PWM3來控制LED的調光。PWM3具有16位元解析度的PWM,從100%到0%工作週期共有65,536個檔位,可保證亮度平滑切換。
負載開關提升LED色溫轉換率
LED驅動器還可以轉換LED的色溫。 此顏色變化是人眼能夠察覺得到的,削弱了客戶對享受優質LED照明體驗的主張。圖3給出了典型的PWM LED調光波形。當LED熄滅時,由於輸出電容緩慢放電,LED電流會逐漸減小。此事件會導致LED發生色溫漂移且功耗增大。可以使用負載開關來防止輸出電容緩慢放電。例如,在圖2中,電路使用Q2作為負載開關,LED調光引擎會同步關閉COG PWM輸出和Q2,以便切斷電流衰減路徑,讓LED快速熄滅。
圖3 LED調光波形
避免峰值電流影響LED壽命
當使用開關模式功率轉換器驅動LED時,將採用回饋電路來調節LED電流。但是,如果在調光期間操作不當,回饋電路會產生峰值電流(圖3)。回顧圖2,當LED點亮時,電流傳輸到LED,RSENSE2兩端的電壓饋送到EA;當LED熄滅時,沒有電流傳輸到LED,RSENSE2電壓變為零。在此調暗期間,EA輸出會增加到最大值,並使EA補償網路過充。當調變的PWM再次導通時,如果有高峰值電流驅動到LED,則需要若干個週期才能恢復。此峰值電流會削減LED的使用壽命。
為避免這一問題,LED調光引擎允許將PWM3當作OPA的覆蓋來源(Override Source)。當PWM3為低電平時,EA輸出呈三態,將補償網路與反饋回路完全斷開,並將保持最後一個穩定回饋點作為補償電容中儲存的電荷。當PWM3為高電平且LED再次點亮時,補償網路重新連接,EA輸出電壓立即跳到其先前的穩定狀態(PWM3為低電平之前),且幾乎立即恢復LED電流設定值。
LED調光引擎實現更多功能
如前文所述,LED調光引擎極少需要或甚至不需要CPU干預即可正常工作。因此,在將所有對於LED驅動器的控制工作分配給各個CIP時,CPU將具有充足的頻寬來執行其他重要任務。此外,藉由對檢測到的輸入和輸出電壓進行處理,可以執行欠壓鎖定(UVLO)、過壓鎖定(OVLO)和輸出過壓保護(OOVP)等保護功能;這樣可確保LED驅動器按照規範要求工作,並且LED不受異常輸入和輸出條件的影響。
CPU還可以處理來自感測器的溫度資料,以實現對LED的熱管理。而且,當設置LED驅動器的調光級別時,CPU可以處理來自簡單外部開關或串列通訊命令的觸發訊號。此外,LED驅動器的參數可以通過串列通訊的方式發送到外部設備以進行監控或測試。除了上述功能之外,設計師還可以在自己的LED應用中添加更多智慧功能,包括通訊(例如,DALI或DMX)和客製化控制功能等。總而言之,LED調光引擎可用於打造高效型開關模式可調光LED驅動器。高效性體現在其能夠驅動多個LED串、提供高效能源、確保LED達到最佳性能、維持較長的LED使用壽命以及在系統中增添遠端遙控及智慧控制功能等。
(本文作者為Microchip 8位元微控制器產品部主任應用工程師)
降低電源IC自身耗電流 鈕扣電池應用續航力大躍升
上述電子設備由負責整體控制的CPU(Central Processing Unit)、用來獲取所需資訊的感測器,以及進行資訊通訊的無線裝置等組成(圖1);並透過適當處理這些資訊來實現各種功能。電源IC的作用是使電池穩定供給這些零件工作所需的電源電壓。而且,電子設備即使進入待機狀態,也需要對外部訊號立即產生回應,因此監測外部訊號的功能會繼續工作。這就需要電源IC能始終保持在工作狀態,以確保該功能的電源供給無誤。因此,降低電源IC自身的消耗電流是實現電池長時間運作上所不可或缺的因素。
圖1 穿戴裝置的組成示意圖
近年,如何實現可持續發展的社會,已經成為全人類的共同目標。實際上「讓鈕扣電池持續運作10年」也已經成為物聯網和穿戴裝置領域中的常見關鍵字。
眾半導體廠商無不針對這樣的社會需求與期待努力,並利用多年來累積的技術開發經驗,致力於研發滿足市場需求的電源IC。半導體大廠便研發出搭載超低消耗電流技術Nano Energy的電源IC。這使得以鈕扣電池驅動的電子裝置可以實現持續運作10年。
搭載了Nano Energy全新技術的產品之一就是「BD70522GUL」。該產品在支援以電池驅動的開關穩壓器中,實現了世界最低消耗電流180nA(圖2)。本文就針對「BD70522GUL」所搭載的Nano Energy技術做進一步介紹。
圖2 與競爭對手的消耗電流比較
一顆鈕扣電池滿足10年電力需求
鈕扣電池中最有名的產品就是CR2032。這種電池的標準容量為220mAh,是各公司的通用規格。為了要讓這款鈕扣電池使電子設備連續運作10年,須要估算所需的電源IC工作時的消耗電流。雖然說電池容量是220mAh,電源IC也不可能消耗掉所有的電量。在此就多估算一些,假設電源IC可消耗100mAh來加以計算。
ICC(消耗電流)=100mAh(電池容量)÷87,600h(10年)≒1μA(圖3)。
圖3 讓鈕扣電池持續運作10年的必要條件
這個1μA的值就是電源IC工作時額定流過的平均消耗電流上限。也就是說,電源IC的消耗電流為nA級是必要條件。這樣就毋須增加電池的容量而是透過減少電源IC的消耗電流,來延長電子設備的連續運作時間。而「BD70522GUL」可將消耗電流降低到180nA,大幅延長了電池續航時間。
降低消耗電流挑戰多
降低電源IC消耗電流最簡易的方法是增加內部電阻的電阻值。但是,單純地增加電阻的話,以下各種問題都會突顯出來:
.電路面積增加
「電路面積增加」是指因電阻值的增加所帶來的電阻面積增加。
.對元件漏電流的影響增加
「對元件漏電流的影響增加」是指組成電源IC的零件中MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)電晶體相關的問題。該電晶體即使在OFF狀態下也會流過一定的漏電流。該漏電流產生於內部電路或輸出段。例如,以流入回饋電阻的漏電流為例(圖4),如果是之前的電阻值,則相對於輸出電壓產生的穩態電流(=輸出電壓÷回饋電阻)漏電流十分小,因此可以忽略;但電阻增大後,穩態電流會變小,將無法再忽略漏電流的影響。
圖4 降低消耗電流帶來的課題(漏電流)
.電阻增加會提高對雜訊的敏感度
「電阻增加會提高對雜訊的敏感度」是指為簡單起見,假設電阻(R)連接的是π型濾波器。當其一端被外加電壓、另一端進來雜訊時,含雜訊端子的電壓到穩定為原電壓之間的時間常數由π型濾波器的RC決定。該電阻增加會使時間常數變大,從而使到達穩定狀態的時間變長。
.類比電路的反應速度惡化
「類比電路的反應速度」是由諸多因素決定的,在此透過對電容的充電為例來考慮。充電到一定工作電壓的時間即反應速度,該反應速度與充電用的電流成正比,因此如果消耗電流減少,反應速度會變差(圖5)。
圖5 降低消耗電流帶來的課題(反應速度)
三大類比電源技術打造Nano Energy解難題
針對前述的各種課題,透過垂直整合生產體制,融合電路設計、電路布局、製程三大先進類比電源技術,打造出Nano Energy技術。本文以BD70522GUL中所搭載的Nano Energy技術的電路設計技術為例,來介紹以下兩個主要技術及其效果。
BD70522GUL是降壓型開關穩壓器。對於開關穩壓器來說,當作為負載的輸出電流低於一定的值時,透過開關為間歇工作模式,可以在保持輸出電壓的同時減少電流消耗。在需要Nano Energy技術的眾多應用之中,預計保持間歇工作狀態的時間都比較長。為此,在該降壓型開關穩壓器的研發中,深入分析後基於分析結果減少了這種間歇工作時的電流。
首先,根據分析結果,將間歇工作時消耗電流的主要原因提煉為基準電壓單元和控制監測單元兩處(如圖6所示)。然後,對於這兩個單元採用最佳的消耗電流削減方法,使這兩單元的消耗電流降至傳統的1/100左右。其結果是,在電源IC最重要的效率特性中,在後段待機狀態負載電流10μA的條件下,實現了效率90%以上的特性(如圖7所示)。另外,在直至最大負載電流500mA的更寬範圍內均可保持該特性。
圖6 開關穩壓器方塊圖
圖7 BD70522GUL的效率特性
如前所述,減少控制監測部的消耗電流會導致反應速度惡化。而且,還有一個由控制監測部決定的重要電路特性;那就是穩定的輸出電壓。
以傳統的控制監測部的電路結構,通常並不可能同時改善低消耗電流、高速反應、高精度這三大特性。但是,若是利用BD70522GUL中搭載的Nano Energy技術,便能透過全面改善電路結構,進而成功地使傳統無法同時實現的三大特性得以同時改善。並且,也實現了更小的無負載時消耗電流、負載波動時的高速反應性(Load Response)以及整個負載範圍內穩定的輸出電壓(Load Regulation)(如圖8、9所示)。
圖8 BD70 522GUL高速反應特性
圖9 BD70522GUL輸出電壓穩定性
(本文作者為羅姆台灣設計中心資深工程師)
DLP技術結構光助力 3D掃描準確度再提升
3D掃描應用更勝2D
簡易的二維(2D)檢測系統已經問世多年,其應用技術通常是照亮物件並拍照,然後將拍攝的圖像與已知的「黃金」2D參考基準進行比較。3D掃描增加了結合體積訊息的功能。導入Z維數據可以測量物件的體積、平整度或粗糙度。對於印刷電路板(PCB)、錫膏(Solder Paste)、機械零件檢測等產業而言,測量上述增加的幾何結構特性是至關重要的,而這也是2D檢測系統所無法達到的。此外,3D掃描還可應用於醫療、牙科和助聽器等。
三次元量床(CMM)是最早用來收集3D訊息的工業解決方案之一。探針物理性地接觸物件表面,並結合每個點的位置數據來建構3D表面模型(圖1)。接著,光學方法的出現,如:結構光(圖2)。結構光是將一組圖案投射到物件上並用相機或感測器捕捉圖案失真的過程。接著,使用三角剖分演算法計算數據並輸出成3D點雲,而成為用於測量、檢測、偵測、建模或機器視覺系統中所需要計算的各種數據。光學3D掃描之所以會受到青睞,在於不須接觸被測物件,並且可以快速且即時地獲取數據。
圖1 三次元量床(CMM)探針示意
圖2 利用結構光進行光學3D掃描
DLP技術快速生成光圖像
對於光學3D掃描設備而言,DLP技術通常在系統中用作結構光的光源。DLP晶片是一種高反射的鋁微型鏡陣列,稱為數位微型反射鏡元件(DMD)。
當DMD與照明光源和光學元件相結合時,這一種微機電系統(MEMS)便可以為各種投影系統和空間光調變系統提供動力。
由於DMD是一種靈活、快速、且可高度編程的圖形產生器,設計人員經常將DLP技術用於結構光的應用。與具有固定圖形集的雷射掃描機或繞射光學元件(DOEs)不同,它可以將不同位深的多種圖形編程至一個DMD。採用DLP技術的結構光解決方案非常適合需要達到毫米甚至微米範圍的精密量測,應用也相當多元。
.3D AOI
3D自動光學檢測(AOI)是一種用於生產製造的強大技術,可提供有關零件品質即時、在線、決定性的測量數據。例如,3D量測就非常適合用於錫膏檢查(SPI),因為它會測量出在零件放置之前沉積的錫膏的實際體積,有助於防止劣質的焊點(圖3)。在PCB的生產製造中,也會在零件放置、回焊、最終檢查和返工(Rework)操作後進行線上3D AOI,大幅提高品質與可靠性。隨著3D檢測功能的日益普及,有幾個新興的工廠檢測點已開始採用3D AOI系統。
圖3 PCB 3D SPI示意圖
.醫療
3D掃描技術在醫療產業中的應用快速的成長。例如,牙科中使用口內掃描儀(IOS)直接採集光學印模(圖4)。在製作假體修復體時,如嵌體(Inlays)、高嵌體(Onlays)、蓋冠(Copings)、牙冠(Crowns),需要達到微米級的3D圖像精準度。IOS簡化牙醫的臨床操作程序,節省對石膏模型的需求並減輕患者的不適。
圖4 牙科口內掃描儀
另一個快速成長的應用是3D耳道掃描。光學成像系統能夠精確地採集耳朵的3D模型,而毋須再使用矽膠耳模。3D耳道掃描技術未來還可應用於為消費者訂製耳塞、助聽器、及保護聽力的設備。
.工業計量和檢測
許多不同的工業計量和檢測系統已經開始轉向採用3D光學掃描技術。光學3D表面檢測顯微鏡是離線CMM系統的一種替代方案。此類顯微鏡可以測量更多有關高度、粗糙度以及電腦輔助設計(CAD)數據比較的資訊。另外,生產機械加工、鑄模、沖壓製品的工廠也是光學檢測的另一大應用領域。
它們可以更輕鬆和準確地進行X、Y、Z三軸方向的量測,提高品質的保障。市場上也出現了結合內嵌3D視覺系統與機器人手臂的解決方案(圖5)。這些解決方案可大幅地提高汽車(圖6)和其他生產線工廠的速度和品質。在裝配和生產過程中的特定階段,增設3D檢測有助於及早發現品質問題,減少浪費和返工。3D掃描系統甚至可以在電腦數值控制(CNC)設備和3D印表機內運用,即時地對生產過程進行測量。
圖5 帶有3D掃描機的機器人手臂
圖6 3D結構光掃描在汽車檢測中的應用
.Prosumer 3D掃描機
Prosumer 3D掃描機是一可提供專業人士和業餘愛好者以3D數據格式採集實物完整細節特徵的攜帶式工具(圖7)。
圖7 桌面式Prosumer 3D掃描機
採集而來的數據可應用於產品設計、零件工程、3D內容開發或作為3D列印的輸入訊息。例如,線上零售商可以藉由對其產品進行3D掃描,於線上呈現真實、高品質的3D模型(而非2D圖片)。遊戲玩家也可以對自己進行3D掃描並在遊戲中創建自己的角色。
.3D生物辨識和身份驗證3D
3D掃描在生物辨識和身份驗證的應用不斷增加,通常用於安全鎖定或解鎖的裝置、安檢和金融交易。透過3D掃描技術採集的面部、指紋或虹膜特徵,可以使身份驗證更安全且可靠,可大幅減少駭客和其他攻擊的機率(圖8)。
圖8 透過3D掃描所繪製的指紋
整合DLP技術系統設計優勢多
無論是檢查PCB品質還是製作精密的牙科配件,使用DLP技術的結構光3D掃描設備都具備許多顯而易見的系統優勢。DMD微鏡具有微秒級的快速切換功能以及每秒超過1,000個圖案的8位元相移速率,藉由高速的數據捕捉速率實現對測量非常有幫助的即時3D掃描。高速DLP晶片還具有編程靈活性,可在運行中對圖案進行選擇和重新排列。這有助於確保將最佳圖像應用於特定的物件位置或視野內,同時可獲取最準確的3D訊息用於分析。圖像的持續時間及亮度可被控制,以確保物件反射的最佳光量,並使相機的動態範圍最大化。
DLP技術可與各種光源結合使用,且兼容紫外光(UV),可見光及近紅外光(NIR)波長(圖9)。這為基於目標物件的反射率所客製的3D掃瞄系統提供了額外的變通性。DLP晶片可與多種光源和相機相結合的靈活性,使得只須創建一個設備便可測量多個物件,這也使得汽車、工業和醫療產業在設計下一代3D掃描設備時,會優先選擇DLP晶片。在使用DLP技術設計解決方案時,系統整合商可透過靈活的圖像控制和新的結構光算法進行創新。
圖9 可見光及遠紅外光光譜示意圖
此外,開發商還可以最佳化光學架構,以符合檢驗掃描的關鍵解析度及照明要求。令人振奮的是,設計人員可以利用先進的可編程特性將3D掃描提升到新的水準,從而最佳化在光譜、空間及時間三個領域的性能。
DLP產品組合考量因素多
進階光學控制產品組合提供優於傳統顯示器的DMD和輔助控制器成像功能。值得一提的是,DMD晶片可支援波長範圍在363nm至2,500nm之間,二位元的圖形速率高達32kHz,並且可提供更精準的像素準確度控制。以下是進階光學控制的DLP晶片如何最佳化結構光系統的說明。
.DMD特性
1.解析度:在撰寫本文時,DMD的解析度就已達到了0.2至410萬像素(MP)。在需要較大掃描區域或光照度較強的環境中時,傾向於使用較大的1-MP、2-MP或4-MP DMD。例如,在汽車組裝或配向製程(Alignment Process)中的3D檢測,需要在明亮的工廠地板上進行大範圍的掃描。小於1-MP的DMD則傾向於放置在比較好攜帶及低功耗的小型攜帶式或桌面式設備中。
2.電源:最小的晶片組功耗低於 200mW,非常適合攜帶式或電池供電系統。例如,口內掃描儀就是充分利用小型DMD的外型及適用於電池供電的低功耗特性的優勢。
3.波長:使用者可以根據物件的反射特性在採用DLP技術的系統中調整顏色和照明強度。因為DMD可以與各種光源組合,包括發光二極體(LED)和雷射。DMD最佳化了針對紫外光(363~420nm),可見光(400~700nm)近紅外光(700~2,500nm)的使用。對於生物辨識3D掃描解決方案而言,近紅外光波長因其不可侵入性的特性而廣受青睞。紫外光有時候是最佳化金屬反射特性的最適選擇。對白光圖像而言,LED光學引擎是一合適的單色解決方案。
.控制器特性
1.預存模式:DLP控制器為可靠、高速的DMD控制提供了方便的介面。他們可支援預先儲存的結構光圖像,因而不須外部的影片處理器來傳輸圖像。
有一些DLP控制器可以使用一維(1D)編碼預先儲存1000多個結構光行列圖像(參見圖10)。1D圖像利用單一行及列,並在整個陣列中不斷重複該行及該列。Prosumer 3D掃描機產品通常使用1D圖像來幫助降低成本並提高掃描速度。更先進的控制器支援多達400個預存的2D全幀模式(圖11),根據應用或被掃描物件的需要,可以更適應於X和Y。
圖10 1D示意圖
圖11 2D示意圖
2.模式精準度和速度:DLP控制器是用來顯示用於機器視覺或數位曝光的圖案,並支援多變的高速圖案顯示速率,每秒高達32,000個圖案,並具有相機同步的功能。這些圖像速率對於高準確度和高速的3D掃描尤其重要。
從簡單到複雜的系統,DLP技術在設計客製化的結構光系統硬體時,可為客戶提供驚人的圖像靈活性。
對於擴展的3D光學量測應用市場而言,使用結構光的3D掃描是一理想技術。
當選擇3D掃描和機器視覺解決方案時,DLP技術絕對是一有力且首要的選項,因為它具有強大的多功能性,能夠以極高的速度定製圖案,並能夠與多個光源和波長配對。這種多功能性還可以推動客戶創新,將3D掃描系統功能推向新的高度。
(本文作者為德州儀器DLP產品工業經理人、DLP Pico產品行銷以及DLP產品工業業務發展經理)
廣播擴展功能更強大 藍牙5成信標設計利器
有了這些新的功能,加上藍牙5的智慧手機上市,鼓勵著設計人員開發零售和室內定位的信標(Beacon)應用,這類應用在新版本的藍牙推出之前都未能實現。而且新一代具成本效益、超低功耗且功能強大的系統單晶片(SoC)、開發工具、應用範例及參考設計,協助設計人員更容易採用這個協定增強技術。
信標發展歷程
低功耗藍牙4.0、4.1及4.2版本所支援的基礎信標技術定義了一種簡單的服務,能有效地利用藍牙進行交換資訊的一面。由藍牙裝置發送定期廣播訊息(發現新資料訊息),該訊息會啟動配對請求,隨後進行資訊交換。相反的,信標的廣播訊息則會包含保留位址,該位址將該廣播訊息識別為不請求配對,隨後是可直接作用的固定長度短資料封包。在零售應用中,當消費者接近信標時,會自動接收短信標通訊,但是以往受限於單一廣播封包中的負載限制於31個位元組,因此在「非連線」廣播中可傳送的資訊量受到很大的限制。
然而,現在使用的藍牙5改善了這個問題,例如零售商以往只能對智慧手機發送出單一的網址,讓消費者必須連線才能取得更多訊息;但現在能利用廣播擴展功能支援的255位元組的封包來直接傳送關於特價或新商品等特定資訊。在其他方面,室內導覽現時大行其道,因為消費者不需要安裝特定的手機應用程式(App),也不用設定連線來接收這些特定位置的資訊。
藍牙5的廣播擴展性能還促進定位系統升級到更新層次(知道行動實體的位置,可實現人和資產追蹤,這是一種日益流行的應用)。使用「訊號強度特徵」(RSSI)方式,可估算信標到接收器的距離來進行定位。依照發射訊號強度及它隨著距離減小的速率,可進行簡單的估算,以取得接收器與信標的距離。在指定區域範圍內,可以比對信標的訊號強度,而地圖(有時候稱為特徵)則可利用智慧手機版應用程式取得。
舉例來說,北京升哲科技有限公司推出的「雲子」是一款符合Apple iBeacon規格的信標(圖1)。該信標包含多個感測器,包括用於跟蹤信標運動的加速器,以及光和溫度的感測器。該信標可用於觸發智慧手機接收接近通知,辨識出連線中的對象是否正在移動,並廣播發送周圍環境的光和溫度等資訊。而日本富士通推出了一系列符合Apple iBeacon及Google Eddystone規格的信標,所提供的三種型號均具備嵌入式加速器和溫度感測器以跟蹤信標的精確動作,並為使用者提供環境反饋。
圖1 來自北京升哲科技有限公司的「雲子」信標符合Apple iBeacon規範。該信標可以附加在任何位置或物體上,然後根據各方來的訊息廣播定位資訊。
藍牙5信標技術起步
市面上雖然有許多低功耗藍牙的系統單晶片產品可用於無線產品的實現,但是將當今複雜信標應用的特定要求列入考慮的話,適用的產品範圍就縮小了。這些要求包括以下:
1.能與藍牙5核心規範相容。
2.具備成熟且經驗證的RF協定軟體堆疊。
3.符合Apple iBeacon和Google Eddyston規範。
4.低功耗(可延長電池壽命)以最大限度減少維護工作,尤其於高節點數安裝的專案。
5.高鏈路預算(發射器的輸出功率及接收器的靈敏度(dBm)以確保適切的範圍和連線的穩健性。
6.可支援應用程式和協定堆疊執行無線下載更新(OTA)的快閃記憶體(通過定期的韌體版本修訂來延長產品使用壽命)。
7.適合緊湊型設計的小型尺寸。
8.嵌入式ARM微控制器以提供足夠的開銷(Overhead)來執行堆疊和應用。
9.高性價比。
10.成熟且易於使用的開發工具。
11.能提供良好RF性能的硬體參考設計。
12.需有良好的技術支援,包含討論熱烈的開發者論壇在內。
為此,藍牙晶片供應商開始研發低功耗藍牙SoC。以Nordic Semiconductor為例,該公司所推出的nRF52810 SoC,可與藍牙5標準晶片相容,具有64MHz、32位元ARM Cortex M4微控制器,還提供了100dBm鏈路預算、2.4GHz多協定無線電,而且在輸出功率0dBm下的Tx以及1Mbps傳輸速率下的Rx相應電流值僅為4.6mA,電池壽命長。
不過,雖說nRF52810 SoC已屬於完整的低功耗藍牙解決方案,但功能齊全的系統還需要搭配其他零組件,例如印刷電路板(PCB)、電源、用於調諧電路的被動元件、用於定時的天線和晶體。此外還需要技能和經驗來實現阻抗匹配和天線定位等重要要求。晶片製造商的參考設計可提供協助硬體設計,參考設計是為第一個原型獲得合理射頻性能,並為特定應用縮短更佳化硬體程序的好方法,因此,Nordic便提供相關應用(包括PCB布局和BoM)的參考設計。
對於沒有射頻硬體設計經驗的人而言,另一個方法是購買用於組裝和測試的開發套件(DK),大部分的晶片製造商都有提供這樣的產品。就這部分而言,Nordic提供的nRF52-DK可以和PC或Mac連接來進行開發,而且為使用nRF52810 SoC開發信標原型工作提供需要的所有硬體。
該開發套件經由連接器可以簡單接入這個SoC所有的I/O和介面,包括四個可由使用者編程設計的LED和按鈕。該開發套件另一個方便的特性是與Arduino Uno(修訂版三)標準相容,因此能搭配使用多家協力廠商們已商用化的擴展板,以增強功能。
藍牙5信標App建立挑戰多
雖然各個低功耗藍牙SoC供應商的開發方法均有所不同,但他們的軟體都基於工廠提供的藍牙5/低功耗藍牙RF協定堆疊。設計人員的任務是為信標編寫應用程式,當中存在著一些需要克服的挑戰,包括:
.信標非藍牙技術聯盟(SIG)認可的「規範」(表示經測試和驗證的應用軟體)。
.信標使用廣播頻道的方式和其他BLE應用不同(也就是不建立配對程序,而是直接向範圍內的設備廣播資訊)。
.信標的應用程式碼需要遵守Apple iBeacon和Google Eddystone規範,以確保與Apple及Android手機之間的互通性。
.若是沒有適當的維護,在信標的應用程式編譯期間,供應商的BLE協定堆疊可能會被破壞,從而延長了除錯過程。
而為了替設計人員消除大部份的複雜性,晶片商如Nordic使用獨特的軟體架構,將RF協定堆疊(稱為疊構/SoftDevice)與應用程式清楚分隔。這個架構可協助設計人員專注於應用程式碼的品質,因為設計者知道協定堆疊不會在設計過程中損壞;而在程式編譯期間,開發工具負責管理RF協定堆疊和應用程式及之間的鏈接,並為高效可靠的堆疊運行維持不可或缺的相互依存度。
此外,Nordic DK的低功耗藍牙SoC主機層在交貨時是空白的。所需的疊構可以從該公司網站下載,格式為預編譯的二進位檔案,並可使用nRF Connect移植到DK的SoC。nRF Connect是Nordic的一個跨平台工具,可以針對BLE進行測試和開發,並提供PC和行動裝置版本,設計人員可以使用BLE連接,分別從PC或智慧手機與原型通訊;而對於使用nRF52810 So設計的信標,可使用S112疊構,因為它是一個與藍牙5相容的協定堆疊,用於開發高性能BLE應用,僅占100kB快閃記憶體。
總結來說,藍牙4、藍牙4.1和藍牙4.2,再加上Apple和Google的信標規範,鼓勵了設計人員為機場、博物館和畫廊等公共場所提案零售用和定位的初期設計。但是在這些版本的核心規範中,廣播頻道有限的封包負載可能會妨礙創新。藍牙5技術的廣播擴展技術將信標使用領域推升到新層次,實現了以往無法實現的零售和室內導覽信標應用。
對於沒有經驗的人來說,要去利用這項協定增強技術似乎會感到不安,不過透過與BLE產品供應商合作,可以克服許多挑戰以實現信標技術,簡化了設計上的挑戰,使設計人員能夠加速藍牙5信標應用的設計過程。
藍牙5廣播擴展功能再提升
低功耗藍牙在頻帶寬度83MHz、2.4GHz的ISM頻譜分配中,於2MHz頻道間距裡容納了40個無線電射頻頻道。在當中,有3個頻道是用做廣播用途,分別為:37(2402MHz)、38(2426MHz)和39(2480MHz),而其餘37個頻道(0到36)通常在連接後用於傳輸資訊。設備使用廣播頻道在範圍內對任一個的「觀察者」設備廣播資訊,宣告它們的存在。而在觀察者設備「發現」廣播設備後,可以在沒有正式連接的情況下接收它所發送的資訊。
藍牙5技術可提供較長的資料封包和較低的無線傳送速度(如125kbit/s),但同時採用擴展範圍操作,如此一來可能導致3個廣播頻道變得擁擠。這可能是信標應用所面臨的主要挑戰,因為設備通常會使用這些廣播頻道向附近的智慧手機發送訊息。
藍牙規範提供了廣播擴展功能來克服這個難題。現在,廣播訊息開始以廣播封包的方式發送給一個或三個主要廣播頻道,多餘的廣播封包則會被卸載容納到正常的頻道上(就如同一個次要廣播頻道)。更好的一點是,廣播擴展功能允許多個訊息鏈結起來的廣播封包最大可延長到512位元組(圖2)。
圖2 在藍牙5面世之前,廣播封包僅限於該技術所允許的三個廣播頻道。頻繁使用將造成壅塞。有了廣播擴展功能,廣播資料封包可以卸載到正常的資料頻道上,作為次要廣播頻道。
而且,廣播擴展還帶來了稱之為定期廣播的功能。該功能包含了利用「非連結」(Connectionless)廣播方式,以固定時間間隔方式,同時送給多個已同步的設備。有了定期廣播,掃描設備將更為一致地「關注」廣播者,並且可更頻繁地更新訊息。和先前版本相比,藍牙5的廣播量高達八倍,因此非連結廣播方式獲得進一步的提升。連接設備可以利用這些增強功能來發送更多資訊,並可利用次要廣播頻道進行連接,分擔主要廣播頻道的負擔。
(本文作者為Nordic產品行銷經理)
MCU小兵立大功 嵌入式系統安全受保障
網路攻擊顯然有可能破壞涉及國防、醫療保健、金融及我們日常生活中的所有層面。更令人擔憂的是,這些攻擊的頻率和強度似乎都在加強。嵌入式系統容易受到多種網路威脅的攻擊,開發人員需要找到相應途徑來防止這些攻擊,這其中必須要防範的關鍵問題包括:偽造、逆向工程、惡意軟體注入或韌體調換、竊聽、身份盜用、未經授權之網路連接和未經授權之重複使用等。
安全性為嵌入式系統基本設計要件
嵌入式工程師需要開始採用整合的系統設計方法,其中安全功能是整個系統特性之基本組成部分。因此,應該在開發週期的最初階段關注安全問題,而不應該將其認為是次要的臨時添加功能。在實施安全策略時應包括軟體和硬體考量。
傳統上講,軟體是防止未授權訪問的第一道關卡,這裡最常見的防範機制是使用密碼、加密和身份驗證等等。但是,一些技術高深的駭客正在嘗試新的方法來攻擊網路系統和子系統,如果無法保護和驗證系統啟動過程,就會成為駭客攻擊的其中目標之一。如果攻擊成功破壞了系統,存放的惡意軟體就可以在啟動ROM中長時間處於潛伏狀態。而MCU現在自稱具有安全功能,可以減輕各種形式的駭客攻擊。這些包括內建的安全和強大的加密/認證引擎、密鑰管理、篡改檢測和防護、外部記憶體保護和通訊協定的加密/解密等等。
晶片製造商目前正在利用幾個精心設計的方案來保護安全密鑰免受駭客攻擊或以其他方式被篡改。例如片上篡改檢測/保護機制可以屏蔽裝置免受侵入式探測;另外,系統可以使用專用匯流排來傳輸安全資料或密鑰。還可以採用許多策略來保護外部記憶體的內容,例如直接從外部記憶體保留的安全執行,而毋須將資料加載到處理器的嵌入式記憶體中或在操作中解密,這允許應用在主處理器和異地記憶體上操作,同時仍保持完全加密性。
關於網路安全,無線和有線網路通訊都有可能被截獲。實際上,一些通訊協定具有眾所周知的安全漏洞,駭客已經在設法利用這些漏洞。安全程度較高的通訊協定除了驗證發送器和接收器真實性之外,通常還具有加密和解密通訊串流的功能。在這些情況下,為了獲得更高安全性,將會損失一些性能方面的優勢,如果需要避免或盡量最小化這種性能方面的折衷,可以整合硬體加速器用於加密算法作為通訊協定的一部分。這樣一來,需要折衷的不再是性能和安全,而是成本和安全。
MCU扮安全防範要角
如前所述,一些MCU採用硬體加密加速器來執行安全功能,而不會影響整體系統性能。其中一個例子是德州儀器(TI)旗下TM4C129E的Crypto Connected LaunchPad,這是一款基於ARM Cortex-M4F的120MHz微控制器板,專為安全雲端連接、建築/工廠自動化、智慧電網和工業控制而設計。該板的核心TM4C129E 32位MCU包含三個重要安全功能,分別是資料加密標準(DES)加速器、進階加密標準(AES)安全模組和Secure Hash Algorithm。
DES加速器模組能提供硬體加速資料加密和解密功能,它可以運作單DES或三重DES(3DES)算法,並支援ECB、CBC和CFB操作模式,以提供進階的片上安全功能。AES對稱密碼模組在硬體中使用128位元、192位元或256位元密鑰,用於加密和解密目的。Secure Hash Algorithm包括使用64Bytes密鑰的HMAC操作,這將驗證消息或資料檔案。
Maxim MAXQ1061 DeepCover安全加密控制器IC能夠實現篡改檢測和安全啟動功能。此IC的多個篡改檢測功能可確保晶片包含資料的安全性,其密鑰管理可防止未經授權的存取,而片上密鑰生成則基於亂數生成器和證書驗證,從而阻止駭客與晶片通訊。此外,128位AES引擎支援AES-GCM(相容SP 800-38D標準)和AES-ECB(相容SP 800-A標準)模式,這種標準的相容性提高了晶片安全性。最後,透過簽名驗證機制能夠強制執行安全啟動,如果沒有簽名,駭客將無法存取主機處理器的資料。
相較於傳統在標準微處理器上運作的軟體,Microchip的ATECC608A系列硬體加速器IC在處理安全算法時速度可快十倍到一千倍。這些算法包括基於ECC和ECDSA協定的完全非對稱(公共/私有)密鑰加密簽名解決方案,並符合NIST標準P256主曲線,支援從高質量私有密鑰生成到公鑰驗證的完整密鑰生命週期。得益於ECDSA代碼簽名驗證和可選的儲存摘要/簽名(Digest/Signature),因而可提供安全啟動功能,惡意軟體將無法更改對系統至關重要的任何引導資料。
總而言之,嵌入式處理器安全性是一個多層面且非常複雜的問題。隨著物聯網普及和成長以及嵌入式系統幾乎無處不在的發展,複雜的安全攻擊給開發人員帶來了嚴峻挑戰。目前MCU設計的進步意味著可以在這些裝置上執行更多安全功能和操作;透過內建加速器或協同處理器通常可執行這些操作,毋須降低系統性能。
(本文作者任職於貿澤電子)