汽車以太網(wǎng)會(huì)面臨哪些物理挑戰(zhàn)？

　　如今，以太網(wǎng)是汽車領(lǐng)域的一項(xiàng)成熟技術(shù)，它延續(xù)采用并集成 ISO 13400 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議診斷通信 （DoIP） 協(xié)議。這種趨勢正通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理接口提供迅速的重新編程速度。當(dāng)然，要想讓以太網(wǎng)作為車載網(wǎng)絡(luò)總線的通用標(biāo)準(zhǔn)被人們廣泛接納，仍有一些問題亟需解決。

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

　　在 ADAS 中為何選擇以太網(wǎng)？

　　設(shè)計(jì)師為何應(yīng)考慮以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的連接，其原因可能并不明顯，因?yàn)橐延性S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纜可在很大程度上降低線纜成本。而且，標(biāo)準(zhǔn)的 100BASE-TX 以太網(wǎng)通過以太網(wǎng)供電 （PoE） 而無需額外的電源纜線。值得注意的是，以太網(wǎng)可提供一個(gè)統(tǒng)一的通用車載網(wǎng)絡(luò)，通過通用數(shù)據(jù)流和物理介質(zhì)（線纜）提供跨域無縫通信。該技術(shù)無需橋接，因而可從根本上降低成本和復(fù)雜性。

　　ADAS 攝像系統(tǒng)挑戰(zhàn)

　　ADAS 攝像系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上面臨車載連接性這一重大挑戰(zhàn)，可以說是汽車領(lǐng)域最為嚴(yán)苛的應(yīng)用之一。

　　小尺寸

　　面向工業(yè)和汽車應(yīng)用的攝像頭和傳感器市場的發(fā)展，催生了越來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(dá)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纜等高成本線纜的前提下滿足工業(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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)符合 ADAS 攝像系統(tǒng)的需求，Micrel 公司與汽車傳感器專業(yè)廠商 Silicon Micro Sensors GmbH（First Sensor AG 的移動(dòng)業(yè)務(wù)部）共同針對要求最嚴(yán)格的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出一款小型“可隨時(shí)投產(chǎn)”的汽車和工業(yè)級解決方案：

　　高動(dòng)態(tài)范圍 （HDR） 百萬像素 （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上的速度可超過 100Mbps

　　達(dá)到 IP68 / IP6k9 標(biāo)準(zhǔn)，防水、防刮、防霧

　　攝像系統(tǒng)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較為普遍。

　　因應(yīng)挑戰(zhàn)

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

　　減少物料清單 （BoM） 并降低尺寸

　　采用標(biāo)準(zhǔn)的汽車以太網(wǎng)解決方案的一項(xiàng)重要優(yōu)勢在于，可提供獨(dú)立于應(yīng)用的最少標(biāo)準(zhǔn)物料清單，如下方圖 2 所示。這提供了可超越任何汽車特定解決方案的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，從而可形成多供應(yīng)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(biāo)稱電源濾波器，讓許多設(shè)計(jì)者驚訝的是，PHY 收發(fā)器和磁性元件之間的線路接口不需要額外的無源器件。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(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)磁性元件。近年來，汽車應(yīng)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 最新推出的汽車以太網(wǎng)變壓器和共模扼流圈。ALT4352 系列提供表面貼裝、繞線機(jī)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(tǒng)模塊。相對傳統(tǒng)手繞線圈而言，繞線機(jī)繞制的磁性元件不但可以降低成本，而且還可提高準(zhǔn)確性。這一切都有助于提供始終如一的更強(qiáng)性能。

　　免費(fèi)提供以太網(wǎng)供電！

　　100BASE-TX 磁性元件不僅對實(shí)現(xiàn)性能至關(guān)重要，而且還是輸送電力的必備元件。根據(jù) IEEE 802.3af/at“幻象供電法”，已不再需要目前采用的安裝額外線纜來為遠(yuǎn)程傳感器供電的做法，只需采用通過磁性元件中心抽頭提供的直流電壓即可供電。此外，在汽車應(yīng)用中使用時(shí)，這種方法也可以進(jìn)一步獲得優(yōu)化，在無需任何額外系統(tǒng)成本的情況下提供所有益處。首先，由于汽車接線是固定的，因此不再需要使用橋式整流器。其次，無需采用異常昂貴的 PoE 控制器。受電端設(shè)備 （PD），在本例中指攝像頭，是固定的且功耗已知，因此無需采用相對昂貴的控制器來配合供電端設(shè)備 （PSE） 以協(xié)調(diào)功率需求。如圖 3 所示，只需提供標(biāo)準(zhǔn)的 DC-DC 穩(wěn)壓器，即可實(shí)現(xiàn)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(wěn)壓器可提供初級降壓電壓，確保在如待機(jī)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(dǎo)致的輻射接地回路，這個(gè)問題在汽車應(yīng)用中已司空見慣。此外，還可通過連接到任何其他 IEEE 802.3af/at 供電端設(shè)備來實(shí)現(xiàn)互用性。

　　低功耗，高能效

　　在當(dāng)今市場上，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(tǒng)解決方案還可因 Micrel KSZ8061 支持 IEEE 802.3az 節(jié)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(jī)電流，是汽車等所有電池應(yīng)用的理想之選。

　　KSZ8061 PHY 提供一個(gè)獨(dú)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。通過信號偵測電路可自動(dòng)啟動(dòng)和喚醒 PHY 待機(jī)模式。此外，還可通過電源管理來部署輸出引腳以關(guān)閉處理器和傳感器，從而為攝像系統(tǒng)模塊提供小于 1uA 的遠(yuǎn)程待機(jī)和喚醒電流。

　　低噪聲和高可靠性

　　相較于非屏蔽雙絞線，采用 KSZ8061 以太網(wǎng) PHY 的 Micrel Quiet-WIRE™ 技術(shù)，可降低 EMI 線路輻射和提高抗干擾性能，符合汽車 OEM EMC 標(biāo)準(zhǔn)。可使用 CAN 或 FlexRay 等低成本線纜。此外，還可通過手工在每個(gè)接頭上搭接最長 5cm 的未絞合區(qū)段，且無需保護(hù)層，從而將成本盡可能控制在最低范圍內(nèi)。

　　為滿足安全關(guān)鍵 ADAS 應(yīng)用（如倒車攝像頭）的需求，KSZ8061 能夠在 20ms 內(nèi)完成通電和連接，且無需處理器介入。KSZ8061 收發(fā)器信號質(zhì)量指示器 （SQI） 還可以實(shí)時(shí)持續(xù)監(jiān)控線束質(zhì)量。

　　總結(jié)

　　隨著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，汽車高級駕駛輔助系統(tǒng)正在經(jīng)歷著重大發(fā)展。ADAS，更確切地說，攝像頭傳感器，所面臨的挑戰(zhàn)極其嚴(yán)峻；不僅要滿足客車和工業(yè)車輛最苛刻的安全、質(zhì)量和可靠性強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，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(zhàn)，但標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)仍屢次證明其提供額外優(yōu)勢的能力。

　　在檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)優(yōu)勢的過程中，其滿足 ADAS 需求和應(yīng)對成本這一終極關(guān)鍵挑戰(zhàn)的能力顯而易見。任何解決方案，若要在市場中取得成功，則必須具備商業(yè)可行性。這一現(xiàn)實(shí)對持續(xù)成功控制總擁有成本至關(guān)重要。