現代 ADAS 架構通信協(xié)議

引言

1915 年，福特汽車(chē)公司首次推出了汽車(chē)中的電子元件，當時(shí)福特汽車(chē)公司向其 T 型汽車(chē)引入了電燈和電喇叭。從那時(shí)起，汽車(chē)對電氣和電子系統的依賴(lài)一直在穩步增加。初始系統往往是本地且獨立的 – 控制直接連接到電池的前照燈的開(kāi)關(guān)，或控制單個(gè)揚聲器的繼電器。

隨著(zhù)架構的演變，汽車(chē)內各種子系統進(jìn)行通信的機制也在不斷演變。例如，當汽車(chē)檢測到車(chē)外環(huán)境光線(xiàn)減弱時(shí)，它可能會(huì )自動(dòng)啟用前照燈，但這并不是全部。它可能會(huì )調整所有顯示屏的亮度水平，調整所有攝像頭的白平衡，增加與前方車(chē)輛保持的距離，并更加強調制動(dòng)模塊，從而打造更安全的駕駛體驗。

隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的不斷發(fā)展，通信的安全性和實(shí)時(shí)性也變得越來(lái)越重要。這一挑戰只因傳輸和接收的數據數量不再是數百千位/秒，而是幾十千兆位/秒。

本文介紹了四種汽車(chē)通信協(xié)議：以太網(wǎng)、FPD-Link? 技術(shù) （專(zhuān)有汽車(chē)串行器/解串器 (SerDes) 協(xié)議）、CAN 總線(xiàn)和 PCIe 總線(xiàn)，突出了每種技術(shù)的核心細微差別，并提供了這些技術(shù)支持現代汽車(chē)駕駛員輔助系統 (ADAS) 架構的示例和功能，如圖 1 所示。

圖 1. 汽車(chē)中突出顯示的通信協(xié)議技術(shù)。

以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是家庭和辦公室中常見(jiàn)的高速接口之一，并且正在成為車(chē)輛的主要通信協(xié)議。一些車(chē)輛使用以太網(wǎng)來(lái)傳輸各種高速數據；雷達和激光雷達模塊等汽車(chē)應用使用單線(xiàn)對以太網(wǎng)技術(shù)。單線(xiàn)對以太網(wǎng)使用以太網(wǎng)標準，但數據通過(guò)單根雙絞線(xiàn)進(jìn)行傳輸，從而降低了車(chē)輛中的電纜重量和成本。

以太網(wǎng)是一種封包化系統，在該系統中，網(wǎng)絡(luò )各部分節點(diǎn)之間的數據包會(huì )傳輸信息。與 CAN 總線(xiàn)一樣，以太網(wǎng)是雙向的，并且任何單獨鏈路上的速度都隨著(zhù)系統上的節點(diǎn)數量的增加而降低。對于單線(xiàn)對以太網(wǎng)，任何單獨鏈路上的速度都限制為一個(gè)特定的速度（10Mbps、100Mbps、1Gbps），并且鏈路上不會(huì )發(fā)生動(dòng)態(tài)速度變化。不過(guò)，單線(xiàn)對以太網(wǎng)可以通過(guò)鏈路傳輸數據，速度比 CAN 總線(xiàn)快 1,000 倍。改為單線(xiàn)對以太網(wǎng)將優(yōu)化 CAN 總線(xiàn)上的數據傳輸速度，但由于以太網(wǎng)每個(gè)節點(diǎn)的成本較高，因此它可能不會(huì )取代（而是增加）CAN 總線(xiàn)。

如今，有些汽車(chē)使用單線(xiàn)對以太網(wǎng)來(lái)滿(mǎn)足備用攝像頭和雷達等數據密集型要求。例如，德州儀器 (TI) 的 DP83TC812S-Q1

和 DP83TG720S-Q1 是單線(xiàn)對以太網(wǎng)物理層 (PHY)，根據汽車(chē)電子委員會(huì )-Q100 1 級和 2 級進(jìn)行篩選，并包含環(huán)回測試模式，有助于實(shí)現符合電氣電子工程師協(xié)會(huì ) (IEEE) 802.3bw 和 802.3bp 汽車(chē)標準的系統診斷。要通過(guò)以太網(wǎng)傳輸視頻，即使只有一個(gè)視頻通道被傳輸，視頻也必須在源端進(jìn)行壓縮，然后在目標端進(jìn)行解壓縮，避免超過(guò)以太網(wǎng)帶寬限制，這與 FPD-Link? 技術(shù)不同，該技術(shù)允許傳輸未壓縮的視頻數據。對于備用攝像頭等應用，攝像頭中需要有一個(gè)相對較高的功率處理器來(lái)充分壓縮圖像，使其進(jìn)入以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。

反過(guò)來(lái)，對大功率處理器的需求意味著(zhù)攝像頭的物理尺寸更大且更昂貴。與不需要大量圖像處理的方法相比，攝像頭的功率損耗更高。該解決方案的另一個(gè)缺點(diǎn)是視頻壓縮和解壓縮會(huì )增加鏈路的延遲。如果多個(gè)攝像頭或其他視頻源共享同一個(gè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，則需要在壓縮量（和相應的視頻質(zhì)量）與支持的視頻通道數量之間進(jìn)行權衡。通過(guò)在汽車(chē)內以分層配置設置多個(gè)網(wǎng)絡(luò )，可以減輕這種限制?？赡苡幸粋€(gè)網(wǎng)絡(luò )只處理發(fā)動(dòng)機控制和診斷，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )處理后座娛樂(lè )系統和音頻系統，還有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )處理駕駛員輔助功能，例如視覺(jué)增強攝像頭。最后，單線(xiàn)對以太網(wǎng)提供比 CAN 總線(xiàn)更高的容量來(lái)傳輸雷達和激光雷達等數據，但代 價(jià)是復雜性更高，但仍然難以處理視頻等高帶寬應用。

FPD-Link 技術(shù)

FPD-Link 是專(zhuān)有的汽車(chē)串行器/解串器技術(shù)，專(zhuān)為實(shí)時(shí)無(wú)壓縮傳輸高帶寬數據而開(kāi)發(fā)。具體而言，FPD-Link 是為在車(chē)內傳輸視頻數據而開(kāi)發(fā)的，從而在駕駛輔助應用中增強了數據分析和處理能力。例如，它可用于向顯示屏發(fā)送未壓縮的視頻，而反向通道可將來(lái)自外置攝像頭的信息發(fā)送到處理器，該處理器使用圖像處理和算法將命令信號發(fā)送回汽車(chē)或駕駛員，例如用于自動(dòng)制動(dòng)。FPD-Link 的物理層是雙絞線(xiàn)或同軸電纜。布線(xiàn)是專(zhuān)用的，因此在將 FPD-Link 用于備用攝像頭時(shí)，一根電纜從攝像頭連接到處理器，另一根電纜從處理器連接到座艙中的顯示屏。在該應用中使用 FPD-Link 的主要優(yōu)勢是，攝像頭和顯示屏都可以是更簡(jiǎn)單的電路，因為不需要壓縮和解壓縮。

此外，由于鏈路是專(zhuān)用的，因此一個(gè)視頻系統的圖像質(zhì)量與車(chē)輛中的其他元素無(wú)關(guān)。FPD-Link 具有 25Gpbs+ 的正向通道帶寬和同步低速反向通道。反向通道可用于以 400kbps 的速率傳輸 I2C 總線(xiàn)，也可用于以高達 1Mbps 的速率控制 GPIO 線(xiàn)路?？梢允褂梅聪蛲ǖ琅渲脭z像頭、操作變焦鏡頭或將觸摸屏信息發(fā)送回控制器，而不會(huì )中斷正向通道上的視頻流。對于自主駕駛車(chē)輛，另一個(gè)重要因素是鏈路延遲量。壓縮和解壓縮圖像所需的處理會(huì )增加此延遲。對于后座娛樂(lè )系統等應用，從 DVD 讀取數據與其在屏幕上顯示數據之間的延遲并不重要。但是，如果傳輸的圖像來(lái)自在車(chē)輛路徑中尋找行人的攝像頭，則延遲可能會(huì )帶來(lái)災難性的后果。FPD-Link 非常適合需要高帶寬和低延遲的鏈路。此外，通過(guò)單根雙絞線(xiàn)或同軸電纜連接支持反向通道和電源的功能可簡(jiǎn)化布線(xiàn)，并有助于降低整個(gè)系統設計的復雜性。

圖 2 展示了一個(gè)連接到兩個(gè)不同攝像頭的 OMAP? 視頻處理器和一個(gè)帶有一根連接到每個(gè)外設的雙絞線(xiàn)電纜的顯示屏。此雙絞線(xiàn)電纜支持攝像頭視頻數據和觸摸屏或攝像頭設置數據。電纜還可以為顯示器或攝像頭供電。由于每個(gè)鏈路都專(zhuān)用于一個(gè)外設，因此消除了兩個(gè)攝像頭信號之間的干擾風(fēng)險，從而提高了處理和分析的數據完整性，使 ADAS 功能更可靠、更準確。從多個(gè)攝像頭傳輸數據的能力對自動(dòng)泊車(chē)等環(huán)視應用尤其有利，在這些應用中，車(chē)輛周?chē)?360 度全景可為駕駛員提供關(guān)鍵信息，從而實(shí)現更安全的駕駛體驗。觀(guān)看什么是 FPD-Link？，了解有關(guān) FPD-Link 基礎的更多信息。

圖 2. 具有 FPD-Link 的多攝像頭系統。

CAN 總線(xiàn)

CAN 通信自 Robert Bosch GmbH 于 20 世紀 80 年代開(kāi)發(fā)以來(lái)，已有了很大的發(fā)展。多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議顯著(zhù)減少了車(chē)輛中所需的電纜布線(xiàn)，同時(shí)還實(shí)現了仲裁通信系統，該系統可將總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)權限授予總線(xiàn)上的最高優(yōu)先級節點(diǎn)。CAN 協(xié)議和物理層最初是在二十世紀九十年代初標準化的，數據速率高達 1Mbps。如今，CAN 通信已發(fā)展到高達 10Mbps 的速度，彌補了 20 世紀 90 年代經(jīng)典 CAN 與 10Base-T 等低速汽車(chē)以太網(wǎng)之間的差距。

CAN 是一個(gè)多命令器串行總線(xiàn)；換句話(huà)說(shuō)，當單個(gè)節點(diǎn)可以讀取和寫(xiě)入 CAN 總線(xiàn)時(shí)，沒(méi)有單個(gè)命令器節點(diǎn)進(jìn)行控制。每個(gè)報文幀都包含一個(gè)標識符，用于確定 CAN 報文的優(yōu)先級。如果多個(gè)節點(diǎn)嘗試同時(shí)發(fā)送到 CAN 總線(xiàn)，則具有最高優(yōu)先級（或最低仲裁 ID）的節點(diǎn)將控制總線(xiàn)。CAN 通信在惡劣環(huán)境中是可靠的，它允許 ECU 僅與一對電線(xiàn)進(jìn)行通信。

最初在 20 世紀 80 年代開(kāi)發(fā) CAN 時(shí)，車(chē)輛中的 ECU 數量 相對較少。如今，乘用車(chē)可以包含 100 多個(gè) ECU，控制功能包括基本動(dòng)力轉向和豪華功能，如座椅按摩器和方向盤(pán)加熱器。隨著(zhù) ECU 的增加以及乘客車(chē)輛對更高級安全功能的需求，CAN 通信也在不斷發(fā)展。

表 1 列出了有關(guān) CAN 通信網(wǎng)絡(luò )的更多信息，包括 CAN FD 燈、CAN 信號改善功能 (SIC) 和 CAN 超長(cháng) (XL) 等新標準。閱讀控制器局域網(wǎng) (CAN) 簡(jiǎn)介，了解更多有關(guān) CAN 的 信息。

表 1. CAN 的演變。

PCIe 技術(shù)

PCIe 是雙向高速串行總線(xiàn)的通信標準，滿(mǎn)足高帶寬、超低延遲性能要求。PCIe 在工業(yè)應用中更為常用，隨著(zhù)制造商開(kāi)始重新思考數據主干架構，從而支持高帶寬和低延遲系統處理需要實(shí)時(shí)處理的傳感器數據和用戶(hù)信息呈指數級增長(cháng)的情況，PCIe 現已在汽車(chē)應用中興起。

為了解決這一難題，集中式計算節點(diǎn)支持多種不同類(lèi)型的域（ADAS、信息娛樂(lè )、動(dòng)力總成）。這種集中式計算盒通常包含許多支持汽車(chē)不同功能的模塊，使汽車(chē)制造商可以靈活地上下擴展和定制汽車(chē)功能，而無(wú)需重新設計整個(gè)域控制器。由于 PCIe 支持一個(gè)根復合體或中央處理單元 (CPU) 連接到多個(gè)端點(diǎn)或接收器，因此采用 PCIe 進(jìn)行集中式模塊化設計可顯著(zhù)降低汽車(chē)所需的整體 ECU 和電纜數量。

當汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始在整個(gè)數據主干中要求協(xié)處理和冗余時(shí)，PCIe 變得越來(lái)越有吸引力，因為許多 CPU 內置有原生 PCIe 接口，并且不需要在背板上進(jìn)行額外的接口轉換。PCIe 有一個(gè)擁有開(kāi)放軟件資源的巨大生態(tài)系統，并且憑借 可擴展性非常強的帶寬，它的帶寬連續一代增加了一倍。因此，PCIe 協(xié)議可能會(huì )跟上汽車(chē)數據處理指數增長(cháng)所需的帶寬。

在設計高速數據信號路徑時(shí)，信號衰減會(huì )成為一項巨大的挑戰?？赡苄枰D接驅動(dòng)器或重定時(shí)器等信號調節器來(lái)恢復和補償印刷電路板材料、過(guò)孔、連接器或電纜上的插入損耗和噪聲。長(cháng)期以來(lái)，轉接驅動(dòng)器和重定時(shí)器在 PCIe 生態(tài)系統中一直可靠，可提高通過(guò) PCIe 協(xié)議傳輸數據時(shí)的整體信號完整性。表 2 列出了轉接驅動(dòng)器和重定時(shí)器之間的差異。觀(guān)看視頻解決 PCIe 信號完整性難題，詳細了解構成 PCIe 信號路徑的元件。

表 2. PCIe 轉接驅動(dòng)器和重定時(shí)器的比較。

結論

種接口更適合汽車(chē)通信？它們都適合，但每個(gè)都有自身的用途。當帶寬要求上升時(shí)，例如雷達和 LIDAR 數據傳輸，以太網(wǎng)支持必要的帶寬需求。當需要超高帶寬和超低延遲的鏈路時(shí)，例如對于為自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供輸入的環(huán)視攝像頭系統，FPD-Link 就可以應對這一挑戰。CAN 總線(xiàn)繼續為低速度控制應用提供 ADAS 支持，對于此類(lèi)應用，成本是驅動(dòng)因素，例如數據優(yōu)先級劃分、安全氣囊部署等。PCIe 可滿(mǎn)足移動(dòng)不斷增加的需要實(shí)時(shí)處理的傳感器數據和用戶(hù)信息的需求。這四種關(guān)鍵的汽車(chē)通信協(xié)議共同構建了集成的互聯(lián)車(chē)輛，可實(shí)時(shí)支持駕駛員安全并滿(mǎn)足 ADAS 架構不斷增長(cháng)的要求。請訪(fǎng)問(wèn)傳感器融合，詳細了解我們先進(jìn)的通信技術(shù)如何提高安全關(guān)鍵型駕駛輔助應用的可靠性。

參考文獻

1. 什么是 FPD-Link？

2. 德州儀器 (TI)：控制器局域網(wǎng) (CAN) 簡(jiǎn)介

3. 解決 PCIe 信號完整性難題