意法半导体发布全局快门图像传感器助力安全驾驶

随着新基建的持续推进，人工智能与汽车行业正加速融合，无人驾驶技术已步入快速发展轨道。然而，在完全自动驾驶真正实现之前，我们将经历一个漫长且关键的过渡阶段——高级辅助驾驶（ADAS）时代。这一阶段，才是当前最值得关注的竞争领域。

高级驾驶员辅助系统（ADAS）的核心价值在于：帮助驾驶员有效避免碰撞，大幅降低道路交通事故与人员伤亡。相比人类，这些系统反应更快、永不疲劳、时刻保持警惕。如今，从高端车型到经济型轿车，ADAS已全面普及，成为汽车安全配置的标配。

高级驾驶辅助系统的应用场景主要聚焦两大方向：车载摄像头与车载雷达。

车载摄像头

车载摄像头的作用非常直观——提供最高质量的视频与HDR图像，增强车辆内外场景的可视性，提升对周围环境的全方位感知能力。这一市场的增长预期相当稳健，未来几年有望实现两位数的增长率。

DMS 驾驶员监控系统

驾驶员监控系统（DMS）持续监测驾驶员的头部运动，识别困倦与分心迹象。一旦检测到异常，系统便会发出警告提示，保障乘员安全。根据交通管理部门的估算，约95%的道路交通事故由人为错误引发，而其中许多事故完全可以通过DMS这类系统避免。举例来说：2020年欧洲交通事故死亡人数接近19000人，为此欧盟近期颁布法规，要求所有新车平台在2024年、现有车型平台在2026年前必须安装DMS系统。美国的情况更为严峻，交通死亡人数是欧洲的两倍，美国国家运输安全委员会（NTSB）已建议所有半自动驾驶车辆安装DMS系统。

在政策与市场的双重驱动下，意法半导体最新推出的全局快门图像传感器VB56G4A，正好为驾驶员监控安全系统提供了一个经济且可靠的方案。该传感器充分利用了意法半导体自有的背照式3D堆叠（BSI-3D）先进制造技术。与传统前照式（FSI）传感器相比，背照式方案感光更灵敏、尺寸更小、可靠性更高。简而言之，它能够做得更小巧、更耐用，同时性能更优。

意法半导体方面表示：“司机可能并未意识到疲劳或分心驾驶存在安全隐患，DMS自动检测驾驶行为，可消除安全不确定因素，保护所有乘员以及其他道路行人的安全。我们最新的全局快门传感器拥有出色的灵敏度与小巧体积，简化了DMS系统硬件设计，降低了系统总体成本，让客户与合作伙伴能够提供高性能、可靠且符合法规的DMS系统。”目前该传感器已开始向主要客户提供样片，计划2023年初量产，预计2024年车型便可搭载。

VB56G4A技术细节

与卷帘快门图像传感器相比，全局快门传感器的一大优势在于：所有像素同时曝光成像，因此能够与NIR红外光源同步操作，从而优化光源子系统的功耗预算。换句话说，它可以用更低的功耗换来更稳定的成像质量。此外，新款传感器的量子效率（QE）在940nm近红外波长下达到27%，线性动态范围高达60dB，这意味着只需一个简单的低功率不可见光LED发射管，就能为传感器提供充足光源。无论是白天还是夜间驾驶，明亮还是阴暗条件，可见光谱之外的成像均能保证光谱响应的一致性。

高量子效率结合仅2.6µm的像素尺寸，有助于降低总功耗与摄像头尺寸。集成的自动曝光控制功能还能最大限度减少系统与传感器的交互，降低使用难度，简化应用软件设计。此外，新传感器支持多种灵活的工作模式，包括可编程4帧上下文序列、与传感器积分时间同步的照明控制输出、外部帧开始信号输入、暗度自动校准、缺陷像素动态修正、图像裁剪以及镜像/翻转图像读出。外围连接方面，配备八个可编程通用输入输出（GPIO）引脚和一个双通道MIPI CSI-2发射器接口，每通道运行速度高达1.5Gbps。全分辨率下最高传输速率为每秒88帧，60fps时的典型功耗为145mW。

DMS+OMS（驾驶员监控系统+乘客监控系统）

乘客监控系统（OMS）是DMS系统的延伸，通过监测座舱内乘客的感知数据，进一步提升汽车安全性能。最传统的OMS功能是安全带警示，但它还能完成更多任务：判断车内乘客是否已安全坐好、是否有儿童或宠物单独遗留、乘客是否系好安全带等。意法半导体推出的VB1940、VD1940正是针对这类应用设计的5.1MP汽车级图像传感器，同时支持卷帘快门与全局快门模式，可实现NIR和RGB的全图像分辨率与性能。

在卷帘快门模式下，VB1940、VD1940通过MIPI CSI-2接口将短曝光与长曝光结合，生成单个HDR彩色帧输出。用户还可激活将RGB NIR模式转换为RGGB格式的功能，该格式与任何标准汽车ECU（电子控制单元）兼容。在全局快门模式下，RGB像素能将NIR图像放大至全分辨率，通过独立显示NIR与RGB像素，实现NIR信息的创新应用。

传感器在2560×1984分辨率下每秒可捕获图像60帧，通过I²C串行接口进行完全配置，并支持可编程上下文实现灵活的帧到帧配置更改——在多达32个要素的通用循环中，最多可对四个上下文进行排序。该传感器被设计为SEOOC（独立于环境的安全要素），兼容ISO26262标准与ASIL-B安全等级，并配备全套网络安全功能。

主要特性

• 汽车兼容性：工作结温-40°C至125°C，符合ISO26262标准并支持ASIL B系统集成，具备网络安全功能。
• 混合5.1MP全局和卷帘快门功能：3D堆叠传感器40nm/65nm，5.1MP传感器（2560×1984），2.25µm×2.25µm BSI像素，RGB/NIR像素技术，图像阵列尺寸5.8mm×4.5mm，光学格式1/2.5英寸，提供裸片或OBGA封装。
• 创新特性：双曝光控制（RGB和IR），片上拜耳化ISP（图像信号处理器），片上彩色HDR融合，片上NIR智能放大，4个可编程上下文可排序最多32个要素。
• 接口：四通道发射器MIPI CSI-2（每通道高达1.5Gbps），6个可编程GPIO控制LED（输出与传感器集成周期同步，PWM控制），快速模式加I²C控制接口。
• 独有图像性能：峰值量子效率25%@940nm，卷帘快门模式下高达100dB的HDR线性动态范围，全分辨率下每秒60帧，超低噪音。

车载雷达

谈完摄像头，再来看看车载雷达。雷达是ADAS的另一大支柱。短程与远程雷达传感器实时监测车辆周边环境，为ADAS系统提供关键数据，显著提升驾驶员的舒适性与安全性。从短程（SRR）到远程（LRR）应用，车载雷达兼具高通用性与高精度，是L0/L3辅助驾驶系统以及L4/L5自动驾驶系统不可或缺的组成部分。意法半导体提供了基于24GHz的雷达解决方案，专为满足汽车安全完整性等级（ASIL）严格要求而设计，包含全面的汽车雷达收发器与电源管理IC产品组合，同时提供大量汽车保护产品。

24 GHz 雷达

ST的24GHz雷达方案，是由ST汽车电子部门与第三方合作开发的后向角雷达方案，专门针对ADAS市场需求而设计。该方案基于ST的雷达收发芯片STRADA431和ST单片机，构成一个高性能角雷达方案：探测距离高达100米，测距精度±0.6米，输出功率（EIRP）20dBm，水平方向波束宽度±40度，垂直方向波束宽度12度，测角精度±0.5度，速度测量范围±50米/秒，测速精度±0.5米/秒，数据更新率20Hz/秒，输出模式支持CAN+LED驱动（最大5V/50mA驱动电流）。主要应用包括：盲区检测（BSD）、并道辅助（LCA）、开门预警（DOW）、倒车预警（RCTA）。

▲方案系统框图

▲评估板

这套方案的特点与优势十分突出：能够自适应识别左右安装位置，无需区分左右雷达；自动获取车速，不再需要使用OBD控制器；无论来车、跟车还是超车，均可准确跟踪；环境适应性极强，无惧暴晒霜冻，在-40°C~+85°C范围内稳定可靠工作；IP67标准防水密闭结构，无惧水尘；小型化设计，外形尺寸仅为94.3mm×53.2mm×22.8mm，适用于所有车型。

核心芯片STRADA431的特点同样亮眼：最大支持1发3收天线，最大发射功率13dBm，内部集成低相噪VCO，支持分频输出750MHz、1.5MHz、23kHz，内部集成IF可调增益放大器（最大增益60dB）和IF可调BPF，满足AEC-Q100。ST SPC58系列车规级MCU可作为雷达信号处理器应用于方案中。基于上述方案，ST还通过合作方提供评估演示板，并在深度合作的情况下提供参考源代码与设计文档，方便客户快速入门与开发。

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