ADAS以太網(wǎng)：解決汽車(chē)業(yè)的挑戰

　　采用通過(guò) ISO 13400 在 IP 上診斷的作法，讓以太網(wǎng)在當今汽車(chē)領(lǐng)域實(shí)現廣泛應用，對比標準以太網(wǎng)的物理接口，這種 IP 診斷方式可更快速地完成重新編程。然而，由于汽車(chē)制造商將其選作為無(wú)處不在的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)，故挑戰依舊存在。包括攝像頭系統在內的先進(jìn)駕駛輔助系統 （ADAS） 是業(yè)內正尋求以太網(wǎng)優(yōu)勢最大化的應用之一。

　　為何應該考慮基于以太網(wǎng)的連接而棄用模擬或 LVDS 方法？ 尤其是在攝像頭和中央單元的處理成本均更高的情況下（圖 1）。有許多超越這一衡量標準的關(guān)鍵因素最終都能提供更低的成本和更高的性能。

圖1 以太網(wǎng)可降低攝像頭系統的成本

　　其中一個(gè)關(guān)鍵因素就是，支持采用低成本非屏蔽雙絞線(xiàn)可顯著(zhù)降低線(xiàn)纜成本。此外，有源以太網(wǎng) （PoE） 使用基于標準的 100BASE-TX 以太網(wǎng)，因此無(wú)需再使用額外的電纜。但是，以太網(wǎng)的真正價(jià)值絕非限是減少材料清單而已。以太網(wǎng)的最終目標是以無(wú)縫、跨域通信的方式提供無(wú)處不在的單一車(chē)載網(wǎng)絡(luò )——在整個(gè)汽車(chē)領(lǐng)域（包括底盤(pán)、動(dòng)力系統、車(chē)身、信息娛樂(lè )系統和 ADAS）內應用共同的數據流和實(shí)體媒介（線(xiàn)纜）?，F在，可以在單一網(wǎng)絡(luò )上支持域內和跨多域信息共享且無(wú)需橋接，這可以極大地降低成本和復雜性。簡(jiǎn)而言之，以太網(wǎng)是一種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)；無(wú)論對汽車(chē)領(lǐng)域、消費者、企業(yè)還是行業(yè)而言，這就是其最大價(jià)值，也是其在任何市場(chǎng)都能降低成本的原因。

　　車(chē)載連接是車(chē)內應用中最重大的挑戰，故 ADAS 攝像頭設計例證了其面臨的主要挑戰：

　　1. 圖像質(zhì)量會(huì )受到攝像頭產(chǎn)生的熱噪聲的直接影響。在缺乏所需空間限制的情況下，改進(jìn)的熱功耗和更低的功率等因素對達到所需性能至關(guān)重要。

　　2. 由于電噪聲也會(huì )降低傳感器圖像質(zhì)量，因此必須做到低噪聲。嘗試使用所需的低成本非屏蔽線(xiàn)纜時(shí)，則帶來(lái)滿(mǎn)足汽車(chē) EMC 排放要求的另一大挑戰。

　　3. 必須堅守對汽車(chē)市場(chǎng)的質(zhì)量和可靠性的要求。汽車(chē)是一種要求嚴苛的環(huán)境，載客車(chē)輛、商用車(chē)輛和工業(yè)車(chē)輛的考量都不同。

　　4. 在整部車(chē)上部署傳感器的需求更勝以往，導致此類(lèi)應用面臨著(zhù)越來(lái)越多的空間限制。各類(lèi) ADAS 應用所帶來(lái)的對零致命事故的強勁需求更推升了此類(lèi)需求。例如，防碰撞、交通信號燈、路標和行人識別等。

　　解決方案：基于以太網(wǎng)的 ADAS

　　麥瑞找來(lái)了汽車(chē)傳感器專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)商 Silicon Micro Sensors （SMS） 共同針對要求最嚴格的汽車(chē)和工業(yè)應用設計了一個(gè)“生產(chǎn)就緒型”解決方案，其特點(diǎn)包括：百萬(wàn)像素級 （720p） 的高動(dòng)態(tài)范圍 （HDR） 攝像頭、視野范圍從 55° 到 190°、MJPEG 視頻壓縮、以太網(wǎng) AVB 和有源以太網(wǎng)支持、低成本非屏蔽雙絞線(xiàn)、可達 IP68/IP6k9 標準，防水、防刮、防霧。攝像頭適用于載客車(chē)輛、商用車(chē)輛和工業(yè)車(chē)輛，應用范圍包括全景可視和后視、側視和后視鏡更換、交通標志、盲點(diǎn)、行人探測和車(chē)道偏離輔助等。

　　該解決方案清楚證明了標準以太網(wǎng)能滿(mǎn)足 ADAS 攝像頭的需求。該解決方案采用 Quiet-WIRE™ 以太網(wǎng)和 Auto-PoE 技術(shù)，是 ADAS 一系列設計中的一種。（圖 2）

　　
圖2

　　共提供 Aptina AR0132AT 或 OmniVision OV10635 圖像傳感器等兩種選擇。飛思卡爾 MPC5604 處理器可根據輸入的 YUV 數字圖像數據提供 MJPEG 壓縮，并通過(guò)媒體獨立接口 （MII） 連接到麥瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE™ 100BASE-TX 以太網(wǎng) PHY。麥瑞 DS1001 MEMS 振蕩器提供系統定時(shí)，并采用經(jīng)優(yōu)化過(guò)的汽車(chē)有源以太網(wǎng) Auto-PoE 提供電源管理。

　　以太網(wǎng)直接面對挑戰

　　以太網(wǎng)物理層提供一系列可滿(mǎn)足 ADAS 攝像頭系統需求的好處。采用基于標準的汽車(chē)以太網(wǎng)解決方案的一大好處在于，可提供應用獨立的最小標準材料清單 （BoM）（圖 3）。這可實(shí)現超越任何汽車(chē)特定解決方案的規模經(jīng)濟效益，并形成多供應商模式，讓選擇面更廣，成本更低。

圖3 標準以太網(wǎng)BoM

　　汽車(chē)行業(yè)最小的 PHY 由尺寸僅有 5mm x 5mm 的麥瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE™ 100BASE-TX 以太網(wǎng)收發(fā)器提供。必須確保維持最低限度的電源濾波，而獨特的是 PHY 收發(fā)器和磁性元件之間的線(xiàn)路接口不需要額外的無(wú)源器件。這可在提高信號完整性的同時(shí)降低成本并縮小印刷電路板板上空間。

　　近年來(lái)，合格的汽車(chē)以太網(wǎng)磁性元件已大為普及，也能夠使用標準的以太網(wǎng)磁性元件。在此，我們使用了 TDK 最新推出的以太網(wǎng)磁性元件，其 ALT4352 系列是一種支持表面黏著(zhù)技術(shù)、以繞線(xiàn)機繞制且尺寸有所減少的解決方案，最大高度僅有 2.9mm，非常適合空間有限的攝像頭模塊。繞線(xiàn)機繞制磁性的元件不僅成本更低，準確性也更高（相對傳統手工繞組而言），并可提供功能更強且更加一致的性能。

　　有源以太網(wǎng)的使用

　　100BASE-TX 磁性元件對實(shí)現性能和輸送電力同等重要。根據 IEEE 802.3af/at的“幻象供電法”，已不再需要當前采用的安裝額外線(xiàn)纜為遠程傳感器供電的作法，只需通過(guò)磁性元件中心抽頭提供的直流電壓即可供電。這種方法在汽車(chē)應用中使用時(shí)也可以進(jìn)一步優(yōu)化，并在無(wú)需任何額外系統成本的前提下提供所有好處。

　　首先，由于汽車(chē)接線(xiàn)是固定的，因此不再需要使用橋接整流器。其次是采用冗余有源以太網(wǎng)控制器配置（可顯著(zhù)降低成本）。由于受電端設備 （PD）——在本案例中指攝像頭是固定且功率預算已知，因此無(wú)需采用相對昂貴的控制器來(lái)和供電端設備 （PSE） 協(xié)調功率需求。只需提供標準的 DC-DC 穩壓器，即可實(shí)現攝像頭電源管理解決方案（圖 4）。采用 Hyper Light Load™ 技術(shù)的麥瑞 MIC28511 60Vin 3A 同步降壓穩壓器可提供經(jīng)降壓的一次電壓，在待機等低輸出功率工作的情況下可確保高效率的工作。

圖4 標準DC-DC穩壓器PoE

　　盡管可進(jìn)行優(yōu)化和提高成本效益，但標準汽車(chē)應用以太網(wǎng) PoE 仍可提供由“幻象供電”法所帶來(lái)的額外好處。攝像頭（PD 端）提供共模噪聲抑制；PSE （ECU） 發(fā)出的噪聲或沿雙絞線(xiàn)電纜提取的噪聲將作為共模噪聲與差動(dòng)以太網(wǎng)信號耦合，從而實(shí)現清除。此外，攝像頭 （PD） 和 ECU （PSE） 接地之間的電流隔離可防止因電位不同而形成的輻射接地回路；這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)司空見(jiàn)慣。還可通過(guò)連接到任何其他 IEEE 802.3af/at PSE 實(shí)現互操作性。

　　在當今市場(chǎng)上，100BASE-TX 以太網(wǎng)提供的 PHY 技術(shù)的功率已是最低。與基于千兆比特的技術(shù)解決方案相較，其功率和成本均降低了三倍之多。IEEE 802.3az 節能以太網(wǎng) （EEE） 的 KSZ8061 支持為攝像頭提供了另一項好處，即在閑置狀態(tài)下（例如，不傳送視頻流量時(shí)），PHY 可以轉換為低功耗睡眠模式。這可以減少功耗達 50% 以上。KSZ8061 以太網(wǎng) PHY 還可以提供小于 1uA 的工業(yè)同類(lèi)最佳超低待機電流，這是所有電池應用的理想之選。

　　此外，KSZ8061 PHY 還提供一個(gè)獨特的信號檢測輸出插口，可用于標示活動(dòng)鏈路伙伴的存在（圖 5）?？捎尚盘枡z測電路自動(dòng)激活和喚醒 PHY 待機模式。此外，也可通過(guò)該輸出插口關(guān)閉處理器和傳感器進(jìn)行電源管理，并為攝像頭模塊提供小于 1uA 的遠程待機和喚醒電流。

　　該遠程關(guān)閉方案能提供各項重要的好處：

　　與任意以太網(wǎng)供應商鏈路伙伴實(shí)現完全互操作（在 ECU）待機功耗降低

　　使用特殊波形/序列的備選方法常常要求采用專(zhuān)有實(shí)施方案，這會(huì )限制其實(shí)際應用。在消費領(lǐng)域，由供應商驅動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )喚醒 （WoL） 方法就是一個(gè)很好的范例。事實(shí)上，該領(lǐng)域很少使用這種方法。從待機功耗角度而言，在物理層上實(shí)施檢測電路所需的信號處理較少，因而功耗也較少。在該備選范例中，WoL 仍需要 PHY 和部分 MAC 層始終保持通電狀態(tài)，導致待機功耗達到大約千倍以上。

　　Quiet-WIRE™ 技術(shù)采用 KSZ8061 以太網(wǎng) PHY，此與非屏蔽雙絞線(xiàn)相較可減少 EMI 線(xiàn)路輻射，并符合汽車(chē) OEM 標準?？梢圆渴?CAN 或 FlexRay 等低成本線(xiàn)纜。線(xiàn)纜也可以采用手工制造，每個(gè)連接器均配備一段最長(cháng) 5cm，無(wú)需使用護套的非絞線(xiàn)部分，從而提供最低成本。

　　有源以太網(wǎng)共模噪聲抑制和隔離攝像頭接地可降低電噪聲，從而優(yōu)化攝像頭傳感器圖像質(zhì)量。其中還包括因采用 KSZ8061 低功耗 100BASE-TX 技術(shù)而降低熱噪聲。降低熱耗散不僅可改善傳感器性能，還可實(shí)現更高的穩定性和燃料效率。

　　攝像頭解決方案所用的 Quiet-WIRE™ 技術(shù)不僅能減少輻射，由于其卓越的電流注入性能，還能提供更出色的抗干擾性能。在 1MHz 到 400MHz 的整個(gè)頻率范圍內，當出現 200mA 噪聲電流注入時(shí)，PHY 收發(fā)器完全未出現任何錯誤，此超越了 OEM 極限。

　　即使有啟用 Quiet-WIRE 輻射過(guò)濾，KSZ8061 中增強的 PHY 收發(fā)器設計仍可提供最短 130 米的無(wú)誤差線(xiàn)纜范圍。這樣的性能對工業(yè)和商用車(chē)輛非常有益，因為抗干擾性能和線(xiàn)纜范圍通常長(cháng)于 15 米的最大汽車(chē)接線(xiàn)長(cháng)度。

　　為滿(mǎn)足后視攝像頭等安全關(guān)鍵 ADAS 應用的需求，KSZ8061 能夠在 20ms 內完成通電和鏈接，無(wú)需處理器干預。此外，KSZ8061 特有的收發(fā)器信號質(zhì)量指示器 （SQI） 也可以實(shí)時(shí)持續監控線(xiàn)束質(zhì)量。

　　攝像頭時(shí)鐘定時(shí)由麥瑞 DSC1001 MEMS 25MHz 振蕩器提供。MEMS 技術(shù)具有卓越的頻率溫度穩定度，與晶體振蕩器相較下可提供高達 20 倍的故障前平均時(shí)間和 500 倍以上的抗沖擊性，因此非常適合此類(lèi)應用（圖 6）。攝像頭設計所用的所有設備都符合規定，或能夠完全滿(mǎn)足汽車(chē) AEC-Q100 標準。

圖6 DSC1001MEMS和石英晶體之間的輸出頻率溫度穩定度對比

　　總結

　　各國政府的立法一直致力于改善道路安全情況，此促成了車(chē)輛的 ADAS 呈增長(cháng)的態(tài)勢。美國國家公路交通安全管理局 （NHTSA） 近期規定，從 2018 年 5 月 1 日開(kāi)始，所有新造車(chē)輛均需達到新的后視范圍標準，這是為了防止出現每年導致 210 人死亡和 15，000 人受傷的平均現狀。歐洲也正籌劃推行類(lèi)似的舉措，以實(shí)現道路零事故的偉大使命。

　　ADAS 的挑戰，特別是攝像頭傳感器的挑戰要求極其嚴格。必須兼具功率耗散更強、電噪聲最低并能裝配到有極大限制的空間內，同時(shí)還需滿(mǎn)足嚴苛的車(chē)輛安全、質(zhì)量和可靠性要求。實(shí)踐證明，標準以太網(wǎng)不僅能夠克服這些挑戰，甚至還能帶來(lái)額外的好處。

　　從檢驗這些好處的角度看來(lái)，標準以太網(wǎng)顯然不僅能滿(mǎn)足 ADAS 的需求，還能解決成本挑戰。要在市場(chǎng)中實(shí)現成功部署，所有解決方案均需同時(shí)做到商業(yè)和技術(shù)均可行。這是助力以太網(wǎng)成功跨足多個(gè)市場(chǎng)的關(guān)鍵要素：它能以最低的總擁有成本提供網(wǎng)絡(luò )性能。

　　您可從 Silicon Micro Sensors 購買(mǎi)文中提及的攝像頭模塊，該模塊為演示套件（包括可通過(guò)以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)連接，以便在計算機或筆記本電腦上展示的四個(gè)攝像頭模塊）的一部分。同時(shí)還可購買(mǎi)視頻分析儀高級開(kāi)發(fā)和分析框架軟件，除識別物體外，該軟件還可對多達 4 個(gè)攝像頭進(jìn)行控制、數據流存儲、顯示、錄像和回放。

　　本文作者 Mike Jones（ 麥瑞公司局域網(wǎng)解決方案營(yíng)銷(xiāo)總監）：

　　Mike Jones 從事半導體行業(yè) 25 年，擁有豐富的高科技設計經(jīng)驗，他負責麥瑞局域網(wǎng)解決方案汽車(chē)和工業(yè)產(chǎn)品的營(yíng)銷(xiāo)工作。Jones 先生擁有英國伯明翰市阿斯頓大學(xué)頒發(fā)的電子系統工程一級榮譽(yù)碩士學(xué)位。此外，他還撰寫(xiě)了大量技術(shù)雜志文章，并在全球多個(gè)技術(shù)和工業(yè)刊物上進(jìn)行發(fā)表。