汽車(chē)以太網(wǎng)會(huì )面臨哪些物理挑戰？

　　如今，以太網(wǎng)是汽車(chē)領(lǐng)域的一項成熟技術(shù)，它延續采用并集成 ISO 13400 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議診斷通信 （DoIP） 協(xié)議。這種趨勢正通過(guò)標準的以太網(wǎng)物理接口提供迅速的重新編程速度。當然，要想讓以太網(wǎng)作為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)的通用標準被人們廣泛接納，仍有一些問(wèn)題亟需解決。

　　高級駕駛輔助系統 （ADAS），尤其是更引人關(guān)注的攝像系統，只是行業(yè)在尋求利用以太網(wǎng)眾多優(yōu)勢的大量應用之一。在本篇文章中，我們將分析汽車(chē)以太網(wǎng)所面臨的挑戰，并以一項成熟的基于以太網(wǎng)的 ADAS 傳感器解決方案為例進(jìn)行說(shuō)明。

　　在 ADAS 中為何選擇以太網(wǎng)？

　　設計師為何應考慮以太網(wǎng)為基礎的連接，其原因可能并不明顯，因為已有許多非常成熟的方案供其選擇，如模擬和 LVDS 接口技術(shù)。使用以太網(wǎng)可能會(huì )增加處理成本，但是，選用低成本的非屏蔽線(xiàn)纜可在很大程度上降低線(xiàn)纜成本。而且，標準的 100BASE-TX 以太網(wǎng)通過(guò)以太網(wǎng)供電 （PoE） 而無(wú)需額外的電源纜線(xiàn)。值得注意的是，以太網(wǎng)可提供一個(gè)統一的通用車(chē)載網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)通用數據流和物理介質(zhì)（線(xiàn)纜）提供跨域無(wú)縫通信。該技術(shù)無(wú)需橋接，因而可從根本上降低成本和復雜性。

　　ADAS 攝像系統挑戰

　　ADAS 攝像系統在設計上面臨車(chē)載連接性這一重大挑戰，可以說(shuō)是汽車(chē)領(lǐng)域最為嚴苛的應用之一。

　　小尺寸

　　面向工業(yè)和汽車(chē)應用的攝像頭和傳感器市場(chǎng)的發(fā)展，催生了越來(lái)越多的空間限制要求。

　　低功耗

　　攝像頭傳感器產(chǎn)生的熱噪聲將直接影響圖像質(zhì)量。改善熱功耗、避免受到必要空間限制的影響和降低功耗，對達到所需性能至關(guān)重要。

　　低噪聲

　　正如熱噪聲一樣，電氣噪聲也會(huì )降低傳感器的圖像質(zhì)量。此外，最好還可以在不使用光纖或屏蔽線(xiàn)纜等高成本線(xiàn)纜的前提下滿(mǎn)足工業(yè) EMC 輻射要求。

　　高可靠性

　　能夠在極端惡劣環(huán)境中提供必要的性能。

　　為證明標準以太網(wǎng)符合 ADAS 攝像系統的需求，Micrel 公司與汽車(chē)傳感器專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)商 Silicon Micro Sensors GmbH（First Sensor AG 的移動(dòng)業(yè)務(wù)部）共同針對要求最嚴格的應用，設計出一款小型“可隨時(shí)投產(chǎn)”的汽車(chē)和工業(yè)級解決方案：

　　高動(dòng)態(tài)范圍 （HDR） 百萬(wàn)像素 （720p） 攝像頭

　　視野范圍介于 55° 與 190°之間

　　MJPEG 視頻壓縮

　　以太網(wǎng) AVB 兼容比特流（MJPEG 或 UDP）

　　支持以太網(wǎng)供電

　　在低成本非屏蔽雙絞線(xiàn)上的速度可超過(guò) 100Mbps

　　達到 IP68 / IP6k9 標準，防水、防刮、防霧

　　攝像系統解決方案是采用 Micrel 的 Quiet-WIRE™ 以太網(wǎng)和 Auto-PoE 技術(shù)的諸多 ADAS 設計之一。下方圖 1 所示的 Micrel / SMS 解決方案基本功能塊示意圖，在所有標準以太網(wǎng)攝像系統設計中較為普遍。

　　因應挑戰

　　以太網(wǎng)物理層可提供一系列可滿(mǎn)足 ADAS 攝像系統需求的優(yōu)勢。

　　減少物料清單 （BoM） 并降低尺寸

　　采用標準的汽車(chē)以太網(wǎng)解決方案的一項重要優(yōu)勢在于，可提供獨立于應用的最少標準物料清單，如下方圖 2 所示。這提供了可超越任何汽車(chē)特定解決方案的規模經(jīng)濟效益，從而可形成多供應商模式，使選擇面更廣，成本更低。

　　物理層由僅 5mm x 5mm 尺寸的 Micrel KSZ8061 Quiet-WIRE™ 100BASE-TX 以太網(wǎng)收發(fā)器提供。需要標稱(chēng)電源濾波器，讓許多設計者驚訝的是，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)降低成本和縮小 PCB 板空間。

　　另外也可以部署標準以太網(wǎng)磁性元件。近年來(lái)，汽車(chē)應用領(lǐng)域合格的以太網(wǎng)磁性元件已廣泛普及。Micrel 已采用 TDK 最新推出的汽車(chē)以太網(wǎng)變壓器和共模扼流圈。ALT4352 系列提供表面貼裝、繞線(xiàn)機繞制且尺寸更小的解決方案，最大高度僅為 2.9mm。這非常適合空間受限的攝像系統模塊。相對傳統手繞線(xiàn)圈而言，繞線(xiàn)機繞制的磁性元件不但可以降低成本，而且還可提高準確性。這一切都有助于提供始終如一的更強性能。

　　免費提供以太網(wǎng)供電！

　　100BASE-TX 磁性元件不僅對實(shí)現性能至關(guān)重要，而且還是輸送電力的必備元件。根據 IEEE 802.3af/at“幻象供電法”，已不再需要目前采用的安裝額外線(xiàn)纜來(lái)為遠程傳感器供電的做法，只需采用通過(guò)磁性元件中心抽頭提供的直流電壓即可供電。此外，在汽車(chē)應用中使用時(shí)，這種方法也可以進(jìn)一步獲得優(yōu)化，在無(wú)需任何額外系統成本的情況下提供所有益處。首先，由于汽車(chē)接線(xiàn)是固定的，因此不再需要使用橋式整流器。其次，無(wú)需采用異常昂貴的 PoE 控制器。受電端設備 （PD），在本例中指攝像頭，是固定的且功耗已知，因此無(wú)需采用相對昂貴的控制器來(lái)配合供電端設備 （PSE） 以協(xié)調功率需求。如圖 3 所示，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。采用 Hyper Light Load™ 技術(shù)的Micrel MIC28511 60Vin 3A 同步降壓穩壓器可提供初級降壓電壓，確保在如待機等低輸出功率工作狀態(tài)下能高效工作。

　　“幻象供電”方式所帶來(lái)的其他優(yōu)勢還包括攝像頭（PD 端）的共模噪聲抑制、攝像頭 （PD） 與 ECU （PSE） 接地間的電流隔離，后者可防止因電位差而導致的輻射接地回路，這個(gè)問(wèn)題在汽車(chē)應用中已司空見(jiàn)慣。此外，還可通過(guò)連接到任何其他 IEEE 802.3af/at 供電端設備來(lái)實(shí)現互用性。

　　低功耗，高能效

　　在當今市場(chǎng)上，100BASE-TX 以太網(wǎng)已成為最低功率 PHY 技術(shù)之一。與基于千兆位技術(shù)的解決方案相比，功耗和成本均降低了三倍之多。攝像系統解決方案還可因 Micrel KSZ8061 支持 IEEE 802.3az 節能以太網(wǎng) （EEE） 而受益，其提供小于 1uA 的業(yè)界最佳超低待機電流，是汽車(chē)等所有電池應用的理想之選。

　　KSZ8061 PHY 提供一個(gè)獨特的信號偵測輸出引腳，用于表明活動(dòng)對端的存在，如圖 4 所示。通過(guò)信號偵測電路可自動(dòng)啟動(dòng)和喚醒 PHY 待機模式。此外，還可通過(guò)電源管理來(lái)部署輸出引腳以關(guān)閉處理器和傳感器，從而為攝像系統模塊提供小于 1uA 的遠程待機和喚醒電流。

　　低噪聲和高可靠性

　　相較于非屏蔽雙絞線(xiàn)，采用 KSZ8061 以太網(wǎng) PHY 的 Micrel Quiet-WIRE™ 技術(shù)，可降低 EMI 線(xiàn)路輻射和提高抗干擾性能，符合汽車(chē) OEM EMC 標準?？墒褂?CAN 或 FlexRay 等低成本線(xiàn)纜。此外，還可通過(guò)手工在每個(gè)接頭上搭接最長(cháng) 5cm 的未絞合區段，且無(wú)需保護層，從而將成本盡可能控制在最低范圍內。

　　為滿(mǎn)足安全關(guān)鍵 ADAS 應用（如倒車(chē)攝像頭）的需求，KSZ8061 能夠在 20ms 內完成通電和連接，且無(wú)需處理器介入。KSZ8061 收發(fā)器信號質(zhì)量指示器 （SQI） 還可以實(shí)時(shí)持續監控線(xiàn)束質(zhì)量。

　　總結

　　隨著(zhù)全球各國在政府配套立法的支持下為改善道路安全不斷做出努力，汽車(chē)高級駕駛輔助系統正在經(jīng)歷著(zhù)重大發(fā)展。ADAS，更確切地說(shuō)，攝像頭傳感器，所面臨的挑戰極其嚴峻；不僅要滿(mǎn)足客車(chē)和工業(yè)車(chē)輛最苛刻的安全、質(zhì)量和可靠性強制標準，同時(shí)還要兼顧改善的功耗、最低的電氣噪聲和增加的空間限制的要求。盡管面臨這些挑戰，但標準以太網(wǎng)仍屢次證明其提供額外優(yōu)勢的能力。

　　在檢驗標準以太網(wǎng)優(yōu)勢的過(guò)程中，其滿(mǎn)足 ADAS 需求和應對成本這一終極關(guān)鍵挑戰的能力顯而易見(jiàn)。任何解決方案，若要在市場(chǎng)中取得成功，則必須具備商業(yè)可行性。這一現實(shí)對持續成功控制總擁有成本至關(guān)重要。