商用車連接器的發(fā)展趨勢

摘要：本文以農(nóng)用車和施工/礦山車輛為主，探討了 2016 年商用車在通信組件領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，其中包括開展全天候通信的挑戰(zhàn)、與其他通信系統(tǒng)的交互，以及標(biāo)準(zhǔn)的變化。

　　經(jīng)驗(yàn)豐富的商用車操作人員會說，根據(jù)車輛所發(fā)出的聲音和振動，他們就能感覺出車輛的運(yùn)行情況。時至今日，最新的商用車通過各種精密的通信系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)這一功能，這些系統(tǒng)可以監(jiān)控性能、控制車輛的位置、為所需維護(hù)排期、與附屬設(shè)備進(jìn)行通信，甚至還可以協(xié)助駕駛車輛等。

　　這些通信系統(tǒng)需要多種五花八門的電子組件。本文討論了 2016 年商用車在通信組件領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，其中包括開展全天候通信的挑戰(zhàn)、與其他通信系統(tǒng)的交互以及標(biāo)準(zhǔn)的變化。

　　許多車輛都需要極為復(fù)雜的互連系統(tǒng)，例如，農(nóng)用車需要精確的監(jiān)控噴霧器的輸出效果，商用客車可以安裝 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)以及即插即用的娛樂系統(tǒng)供乘客使用，以及多種安保和駕駛輔助攝像頭系統(tǒng)，而緊急車輛則需要處理來自患者監(jiān)護(hù)設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。本文主要關(guān)注兩種關(guān)鍵性的重型應(yīng)用：農(nóng)用車和施工/礦山車輛。

商用車的通信

　　配有全天候通信系統(tǒng)的農(nóng)用車輛具有重要的競爭優(yōu)勢。比如說，拖拉機(jī)及農(nóng)具機(jī)組上的通信模塊可以確保精確地在農(nóng)田上進(jìn)行種植和收獲，提高效率。這類模塊可以控制農(nóng)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(jī)、聯(lián)合收割機(jī)或農(nóng)具機(jī)組出現(xiàn)問題，那么，根據(jù)問題的嚴(yán)重程度，將通過無線通信功能自動提醒經(jīng)銷商或者操作人員。機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行時間具有至關(guān)重要的作用，因此，這類應(yīng)用可以改善耕作的生產(chǎn)效率。顯而易見，通信系統(tǒng)是自主農(nóng)用車輛的一個關(guān)鍵組成部分，可以將農(nóng)戶解放出來，投入到其他作業(yè)當(dāng)中。其中一些系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)多種自主車輛的運(yùn)行，例如，當(dāng)一臺拖拉機(jī)式糧食拖車從正在田中收獲莊稼的聯(lián)合收割機(jī)中接收糧食時，便可以發(fā)揮作用。

　　對于施工和礦山車輛，全天候通信系統(tǒng)的重要性更高。有所不同的是，農(nóng)用車輛更多的時候是在一定的時間段內(nèi)使用，然后便會閑置，而施工和礦山車輛則是在無限的時間段內(nèi)幾乎全天不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，使得維護(hù)診斷以及通信系統(tǒng)具有更高的關(guān)鍵性。

　　此外，農(nóng)用車輛以及施工和礦山車輛都需要多個攝像頭和傳感器，確保在往往具有危險(xiǎn)性的工作環(huán)境中可以安全工作。這類通信系統(tǒng)通常包括攝像機(jī)和顯示器之類的設(shè)備，以及各種復(fù)雜的傳感器和控制系統(tǒng)，生成海量的高速數(shù)據(jù)，從而在重要的作業(yè)中為操作人員提供幫助。

自由流動的數(shù)據(jù)

　　商用車中流動的數(shù)據(jù)量超過了以往任何時候，因此，通信系統(tǒng)要求高速的連接器和線纜可以達(dá)到 5 至 10 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，從而可以傳輸圖像和視頻。某些連接器只能對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而發(fā)展趨勢則是使用混合式連接器，同時處理數(shù)據(jù)和電源，其中有些還可以指定使用兩條或者四條線路的信號和電源。

　　混合連接器面對的一個主要挑戰(zhàn)就在于，當(dāng)通過連接器傳輸電源時，便會產(chǎn)生電磁干擾 (EMI)。這樣一來，這類系統(tǒng)中的連接器和線纜就必須采取屏蔽，保護(hù)免受電磁干擾和串?dāng)_的影響。常用的屏蔽方法包括通過為每對絞線包覆鋁箔來進(jìn)行獨(dú)立屏蔽、金屬箔屏蔽、編織屏蔽或者在所有線對之間采用金屬箔來編織，還可以在絞線對之間通過金屬箔進(jìn)行獨(dú)立屏蔽，同時結(jié)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(yīng)用到了商用車行業(yè)。制造商現(xiàn)在正在采用的各類高速協(xié)議，則已經(jīng)在其他行業(yè)應(yīng)用了多年。其中的區(qū)別則在于，重型車輛的通信系統(tǒng)必須進(jìn)行加固，在閉鎖和密封方面尤為如此。

　　這就意味著商用車中的通信網(wǎng)絡(luò)必須具有機(jī)動車中常見高速網(wǎng)絡(luò)的全部優(yōu)勢，并且可以為更高程度的振動、沖擊和流體侵入提供更好的保護(hù)。此外，在安裝到更加復(fù)雜和密度更高的封裝中后，也必須實(shí)現(xiàn)以上功能。這樣一來，高速互連系統(tǒng)便得到了修改，從而滿足商用車行業(yè)日益興起的各種挑戰(zhàn)的要求。

網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)

　　舉例來說，典型的 USB 互連系統(tǒng)以無源非閉鎖的插入式連接器為基礎(chǔ)，而汽車上的 USB 應(yīng)用則必須能夠鎖定。從而，汽車應(yīng)用的非密封 USB 連接器系統(tǒng)則需要滿足 USCAR 標(biāo)準(zhǔn)的外罩和插鎖。

　　然而，與汽車應(yīng)用相比，重型非公路應(yīng)用一般需要密封系統(tǒng)針對更高的振動、沖擊和流體侵入提供額外的保護(hù)。因此，商用車的互連系統(tǒng)要求完全保護(hù)的周邊密封件和電線密封件達(dá)到 IP67 和 IP69K 標(biāo)準(zhǔn)，從而用于非公路環(huán)境。有些時候，車輛外部還需要使用進(jìn)一步加固的產(chǎn)品。這類采用金屬材料的互連系統(tǒng)在某些情況下提供高速的 6 類版本，一般采用密封和螺紋設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)可供車輛駕駛?cè)藛T進(jìn)出駕駛室時踩踏在線纜上。

　　同樣，其他行業(yè)經(jīng)測試和認(rèn)證通過的密封技術(shù)也可以用于商用車的電子組件。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噴射的水流，以及完全浸沒在水中。

　　在針對商用車中的振動而為組件提供保護(hù)的過程中，有助于將多個觸點(diǎn)保持在連接器系統(tǒng)內(nèi)部。商用車的制造商傳統(tǒng)上一般使用耐振動的插針和插座連接器，因?yàn)檫@類產(chǎn)品可以為圓柱針腳周圍的插座提供多個觸點(diǎn)。然而，機(jī)動車行業(yè)的同類產(chǎn)品已經(jīng)過渡為使用成本較低的葉片連接器和插座連接器，這類連接器也具有多個觸點(diǎn)。

　　商用車制造商現(xiàn)在也正在轉(zhuǎn)向這一趨勢。在傳統(tǒng)上，葉片和插座式連接器并不適合高振動環(huán)境，而新型設(shè)計(jì)則得到了進(jìn)一步的細(xì)化，根據(jù)觸點(diǎn)的幾何外形可以耐受高達(dá) 20 G 的重力。比如說，Molex 的 MX123 密封連接系統(tǒng)從根本上說是一種葉片和插座式系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)主要針對高振動的發(fā)動機(jī)蓋下的動力總成應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)

　　商用車組件的另一主要發(fā)展趨勢在于不斷增長的傳感器的使用。其挑戰(zhàn)則是需要確定如何從這類傳感器中采集信息，以及如何以不會影響到操作人員的方式將這些信息反映到屏幕或界面上。傳感器的類型以及使用數(shù)量都在不斷增長，這些傳感器涉及到照明、空氣/胎壓、電流和位置，以及氣體、制動液和液壓油的液位。特定于農(nóng)用車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(tǒng)中使用傳感器和連接器的指定方法也在不斷演進(jìn)當(dāng)中。農(nóng)用車制造商趨向于采用 ISO 11783 之類的 ISO 總線通信標(biāo)準(zhǔn)，而施工和礦山車輛的制造商則往往采用 SAE 標(biāo)準(zhǔn)。此外，商用車制造商還將內(nèi)部的專用標(biāo)準(zhǔn)用于更高級別的通信，使得同一制造商生產(chǎn)的各種車輛與設(shè)備可以互操作。然而，這也意味著可能無法與其他制造商的設(shè)備進(jìn)行有效通信。這些專用規(guī)范和要求對于使用各種不同制造商出產(chǎn)車輛的客戶會構(gòu)成問題，而這也可以使每一家制造商實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，產(chǎn)生自身車輛的競爭優(yōu)勢。

　　例如，很多商用車連接器的制造商采用 SAE J2030 規(guī)范，其中涉及兩條線纜之間或者線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(guī)范描述了連接器在苛刻應(yīng)用下工作所需的最低標(biāo)準(zhǔn)。

　　在為商用車開發(fā)連接器的過程中，Molex 通常會按 J2030 規(guī)范進(jìn)行測試，因?yàn)楫?dāng)我們在為某一客戶，比如卡特彼勒或者約翰迪爾定制部件時，該規(guī)范可以提供一種“呼叫卡”?？蛻艨赡軙?yàn)橥ㄟ^了 J2030 而認(rèn)可某一部件，然后進(jìn)一步測試來確定是否滿足自身的內(nèi)部規(guī)格要求。一些制造商則可能會與供應(yīng)商來共享這些內(nèi)部規(guī)格，有些則不會。

管理“披薩盒”

　　在為商用車設(shè)計(jì)高速和高功率互連系統(tǒng)時，需要牢記的一點(diǎn)是，該系統(tǒng)是車輛整體架構(gòu)的一個組成部分，其中涉及高速通信和高功率電氣化系統(tǒng)。例如，除了標(biāo)準(zhǔn)的車身/底盤、安全、動力總成和信息娛樂系統(tǒng)連接器外，一個逐漸興起的趨勢就是為高壓電源應(yīng)用采用電力傳動和附件連接器系統(tǒng)。大量的電線和連接器會路由到尺寸在披薩盒大小的控制模塊上。僅僅是在車輛上鋪設(shè)各種直管和直角入口的電線，便是一項(xiàng)難度與日俱增的挑戰(zhàn)。

　　這樣一來，便需要尺寸更小、重量更輕、靈活性更高的連接器，以便于線纜退出。例如，1.5 mm的端子可能需要縮小至 1.2mm，而 18 或 20 線規(guī)的電線則可以更換為 22 線規(guī)。同樣，還可能需要使用絕緣直徑更小、重量更輕的鋁線來取代銅線。另一選項(xiàng)則是遷移到單模玻璃或塑料光纜。一條光纖線路可以代替多條銅線。此外，一些制造商還使用扁平線纜，原因在于可以平整地安裝到車輛的側(cè)面，無需傳統(tǒng)布線的捆扎操作(一捆電線會產(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)。

全局觀點(diǎn)

　　最后，重型車輛的通信網(wǎng)絡(luò)必須根據(jù)系統(tǒng)速度要求、所需端口數(shù)、適用協(xié)議、線纜設(shè)計(jì)、線纜屏蔽級別以及連接器的連接方式來進(jìn)行整合。這就意味著連接器的供應(yīng)商還必須是系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專家，在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段最好與客戶一起作為團(tuán)隊(duì)協(xié)同工作。選擇適宜的互連方案，包括系統(tǒng)的總電阻和總屏蔽在內(nèi)，對于全天候的通信系統(tǒng)來說具有關(guān)鍵性的作用，有助于在當(dāng)前以及未來對重型車輛實(shí)施良好的控制。

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