商用車(chē)連接器的發(fā)展趨勢

摘要：本文以農用車(chē)和施工/礦山車(chē)輛為主，探討了 2016 年商用車(chē)在通信組件領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，其中包括開(kāi)展全天候通信的挑戰、與其他通信系統的交互，以及標準的變化。

　　經(jīng)驗豐富的商用車(chē)操作人員會(huì )說(shuō)，根據車(chē)輛所發(fā)出的聲音和振動(dòng)，他們就能感覺(jué)出車(chē)輛的運行情況。時(shí)至今日，最新的商用車(chē)通過(guò)各種精密的通信系統即可實(shí)現這一功能，這些系統可以監控性能、控制車(chē)輛的位置、為所需維護排期、與附屬設備進(jìn)行通信，甚至還可以協(xié)助駕駛車(chē)輛等。

　　這些通信系統需要多種五花八門(mén)的電子組件。本文討論了 2016 年商用車(chē)在通信組件領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，其中包括開(kāi)展全天候通信的挑戰、與其他通信系統的交互以及標準的變化。

　　許多車(chē)輛都需要極為復雜的互連系統，例如，農用車(chē)需要精確的監控噴霧器的輸出效果，商用客車(chē)可以安裝 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )以及即插即用的娛樂(lè )系統供乘客使用，以及多種安保和駕駛輔助攝像頭系統，而緊急車(chē)輛則需要處理來(lái)自患者監護設備的關(guān)鍵數據。本文主要關(guān)注兩種關(guān)鍵性的重型應用：農用車(chē)和施工/礦山車(chē)輛。

商用車(chē)的通信

　　配有全天候通信系統的農用車(chē)輛具有重要的競爭優(yōu)勢。比如說(shuō)，拖拉機及農具機組上的通信模塊可以確保精確地在農田上進(jìn)行種植和收獲，提高效率。這類(lèi)模塊可以控制農藥和種子的施撒情況，進(jìn)而改進(jìn)栽培效果與作物產(chǎn)量。

　　此外，如果拖拉機、聯(lián)合收割機或農具機組出現問(wèn)題，那么，根據問(wèn)題的嚴重程度，將通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信功能自動(dòng)提醒經(jīng)銷(xiāo)商或者操作人員。機械設備的正常運行時(shí)間具有至關(guān)重要的作用，因此，這類(lèi)應用可以改善耕作的生產(chǎn)效率。顯而易見(jiàn)，通信系統是自主農用車(chē)輛的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，可以將農戶(hù)解放出來(lái)，投入到其他作業(yè)當中。其中一些系統可以協(xié)調多種自主車(chē)輛的運行，例如，當一臺拖拉機式糧食拖車(chē)從正在田中收獲莊稼的聯(lián)合收割機中接收糧食時(shí)，便可以發(fā)揮作用。

　　對于施工和礦山車(chē)輛，全天候通信系統的重要性更高。有所不同的是，農用車(chē)輛更多的時(shí)候是在一定的時(shí)間段內使用，然后便會(huì )閑置，而施工和礦山車(chē)輛則是在無(wú)限的時(shí)間段內幾乎全天不停地運轉，使得維護診斷以及通信系統具有更高的關(guān)鍵性。

　　此外，農用車(chē)輛以及施工和礦山車(chē)輛都需要多個(gè)攝像頭和傳感器，確保在往往具有危險性的工作環(huán)境中可以安全工作。這類(lèi)通信系統通常包括攝像機和顯示器之類(lèi)的設備，以及各種復雜的傳感器和控制系統，生成海量的高速數據，從而在重要的作業(yè)中為操作人員提供幫助。

自由流動(dòng)的數據

　　商用車(chē)中流動(dòng)的數據量超過(guò)了以往任何時(shí)候，因此，通信系統要求高速的連接器和線(xiàn)纜可以達到 5 至 10 Gbps 的數據速率，從而可以傳輸圖像和視頻。某些連接器只能對數據進(jìn)行處理，而發(fā)展趨勢則是使用混合式連接器，同時(shí)處理數據和電源，其中有些還可以指定使用兩條或者四條線(xiàn)路的信號和電源。

　　混合連接器面對的一個(gè)主要挑戰就在于，當通過(guò)連接器傳輸電源時(shí)，便會(huì )產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。這樣一來(lái)，這類(lèi)系統中的連接器和線(xiàn)纜就必須采取屏蔽，保護免受電磁干擾和串擾的影響。常用的屏蔽方法包括通過(guò)為每對絞線(xiàn)包覆鋁箔來(lái)進(jìn)行獨立屏蔽、金屬箔屏蔽、編織屏蔽或者在所有線(xiàn)對之間采用金屬箔來(lái)編織，還可以在絞線(xiàn)對之間通過(guò)金屬箔進(jìn)行獨立屏蔽，同時(shí)結合外部的金屬箔或者編織屏蔽。

　　大部分技術(shù)已不再新穎，而到了近期，這些技術(shù)才應用到了商用車(chē)行業(yè)。制造商現在正在采用的各類(lèi)高速協(xié)議，則已經(jīng)在其他行業(yè)應用了多年。其中的區別則在于，重型車(chē)輛的通信系統必須進(jìn)行加固，在閉鎖和密封方面尤為如此。

　　這就意味著(zhù)商用車(chē)中的通信網(wǎng)絡(luò )必須具有機動(dòng)車(chē)中常見(jiàn)高速網(wǎng)絡(luò )的全部?jì)?yōu)勢，并且可以為更高程度的振動(dòng)、沖擊和流體侵入提供更好的保護。此外，在安裝到更加復雜和密度更高的封裝中后，也必須實(shí)現以上功能。這樣一來(lái)，高速互連系統便得到了修改，從而滿(mǎn)足商用車(chē)行業(yè)日益興起的各種挑戰的要求。

網(wǎng)絡(luò )的演進(jìn)

　　舉例來(lái)說(shuō)，典型的 USB 互連系統以無(wú)源非閉鎖的插入式連接器為基礎，而汽車(chē)上的 USB 應用則必須能夠鎖定。從而，汽車(chē)應用的非密封 USB 連接器系統則需要滿(mǎn)足 USCAR 標準的外罩和插鎖。

　　然而，與汽車(chē)應用相比，重型非公路應用一般需要密封系統針對更高的振動(dòng)、沖擊和流體侵入提供額外的保護。因此，商用車(chē)的互連系統要求完全保護的周邊密封件和電線(xiàn)密封件達到 IP67 和 IP69K 標準，從而用于非公路環(huán)境。有些時(shí)候，車(chē)輛外部還需要使用進(jìn)一步加固的產(chǎn)品。這類(lèi)采用金屬材料的互連系統在某些情況下提供高速的 6 類(lèi)版本，一般采用密封和螺紋設計，并且配備金屬外殼和推拉鎖。某些版本甚至可以耐受 300 磅的拉力，其設計可供車(chē)輛駕駛人員進(jìn)出駕駛室時(shí)踩踏在線(xiàn)纜上。

　　同樣，其他行業(yè)經(jīng)測試和認證通過(guò)的密封技術(shù)也可以用于商用車(chē)的電子組件。其中包括不同級別的密封能力，從防塵和防曬直至耐受水管?chē)娚涞乃?，以及完全浸沒(méi)在水中。

　　在針對商用車(chē)中的振動(dòng)而為組件提供保護的過(guò)程中，有助于將多個(gè)觸點(diǎn)保持在連接器系統內部。商用車(chē)的制造商傳統上一般使用耐振動(dòng)的插針和插座連接器，因為這類(lèi)產(chǎn)品可以為圓柱針腳周?chē)牟遄峁┒鄠€(gè)觸點(diǎn)。然而，機動(dòng)車(chē)行業(yè)的同類(lèi)產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)渡為使用成本較低的葉片連接器和插座連接器，這類(lèi)連接器也具有多個(gè)觸點(diǎn)。

　　商用車(chē)制造商現在也正在轉向這一趨勢。在傳統上，葉片和插座式連接器并不適合高振動(dòng)環(huán)境，而新型設計則得到了進(jìn)一步的細化，根據觸點(diǎn)的幾何外形可以耐受高達 20 G 的重力。比如說(shuō)，Molex 的 MX123 密封連接系統從根本上說(shuō)是一種葉片和插座式系統。其設計主要針對高振動(dòng)的發(fā)動(dòng)機蓋下的動(dòng)力總成應用，并且依然保持了較小的封裝尺寸。

不斷變化中的傳感器與標準

　　商用車(chē)組件的另一主要發(fā)展趨勢在于不斷增長(cháng)的傳感器的使用。其挑戰則是需要確定如何從這類(lèi)傳感器中采集信息，以及如何以不會(huì )影響到操作人員的方式將這些信息反映到屏幕或界面上。傳感器的類(lèi)型以及使用數量都在不斷增長(cháng)，這些傳感器涉及到照明、空氣/胎壓、電流和位置，以及氣體、制動(dòng)液和液壓油的液位。特定于農用車(chē)的傳感器則包括料斗水平、施用量和高速播種傳感器。

　　此外，在通信系統中使用傳感器和連接器的指定方法也在不斷演進(jìn)當中。農用車(chē)制造商趨向于采用 ISO 11783 之類(lèi)的 ISO 總線(xiàn)通信標準，而施工和礦山車(chē)輛的制造商則往往采用 SAE 標準。此外，商用車(chē)制造商還將內部的專(zhuān)用標準用于更高級別的通信，使得同一制造商生產(chǎn)的各種車(chē)輛與設備可以互操作。然而，這也意味著(zhù)可能無(wú)法與其他制造商的設備進(jìn)行有效通信。這些專(zhuān)用規范和要求對于使用各種不同制造商出產(chǎn)車(chē)輛的客戶(hù)會(huì )構成問(wèn)題，而這也可以使每一家制造商實(shí)現產(chǎn)品的差異化，產(chǎn)生自身車(chē)輛的競爭優(yōu)勢。

　　例如，很多商用車(chē)連接器的制造商采用 SAE J2030 規范，其中涉及兩條線(xiàn)纜之間或者線(xiàn)纜和電氣組件之間使用的連接器，重點(diǎn)關(guān)注電氣組件外部的連接器。該規范描述了連接器在苛刻應用下工作所需的最低標準。

　　在為商用車(chē)開(kāi)發(fā)連接器的過(guò)程中，Molex 通常會(huì )按 J2030 規范進(jìn)行測試，因為當我們在為某一客戶(hù)，比如卡特彼勒或者約翰迪爾定制部件時(shí)，該規范可以提供一種“呼叫卡”?？蛻?hù)可能會(huì )因為通過(guò)了 J2030 而認可某一部件，然后進(jìn)一步測試來(lái)確定是否滿(mǎn)足自身的內部規格要求。一些制造商則可能會(huì )與供應商來(lái)共享這些內部規格，有些則不會(huì )。

管理“披薩盒”

　　在為商用車(chē)設計高速和高功率互連系統時(shí)，需要牢記的一點(diǎn)是，該系統是車(chē)輛整體架構的一個(gè)組成部分，其中涉及高速通信和高功率電氣化系統。例如，除了標準的車(chē)身/底盤(pán)、安全、動(dòng)力總成和信息娛樂(lè )系統連接器外，一個(gè)逐漸興起的趨勢就是為高壓電源應用采用電力傳動(dòng)和附件連接器系統。大量的電線(xiàn)和連接器會(huì )路由到尺寸在披薩盒大小的控制模塊上。僅僅是在車(chē)輛上鋪設各種直管和直角入口的電線(xiàn)，便是一項難度與日俱增的挑戰。

　　這樣一來(lái)，便需要尺寸更小、重量更輕、靈活性更高的連接器，以便于線(xiàn)纜退出。例如，1.5 mm的端子可能需要縮小至 1.2mm，而 18 或 20 線(xiàn)規的電線(xiàn)則可以更換為 22 線(xiàn)規。同樣，還可能需要使用絕緣直徑更小、重量更輕的鋁線(xiàn)來(lái)取代銅線(xiàn)。另一選項則是遷移到單模玻璃或塑料光纜。一條光纖線(xiàn)路可以代替多條銅線(xiàn)。此外，一些制造商還使用扁平線(xiàn)纜，原因在于可以平整地安裝到車(chē)輛的側面，無(wú)需傳統布線(xiàn)的捆扎操作(一捆電線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生圓形的橫截面，直徑更大，而扁平電纜則不存在這種情況)。

全局觀(guān)點(diǎn)

　　最后，重型車(chē)輛的通信網(wǎng)絡(luò )必須根據系統速度要求、所需端口數、適用協(xié)議、線(xiàn)纜設計、線(xiàn)纜屏蔽級別以及連接器的連接方式來(lái)進(jìn)行整合。這就意味著(zhù)連接器的供應商還必須是系統設計領(lǐng)域的專(zhuān)家，在通信系統設計的初始階段最好與客戶(hù)一起作為團隊協(xié)同工作。選擇適宜的互連方案，包括系統的總電阻和總屏蔽在內，對于全天候的通信系統來(lái)說(shuō)具有關(guān)鍵性的作用，有助于在當前以及未來(lái)對重型車(chē)輛實(shí)施良好的控制。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第29頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。