汽車正以前所未有的速度不斷演進(jìn)，而且變得更安全、更環(huán)保。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、信息共享、自動駕駛和電氣化是當(dāng)今推動汽車行業(yè)發(fā)展的主要話題。要使汽車能夠做出復(fù)雜的決策，需要從位于車輛外部的傳感器收集大量數(shù)據(jù)，以便在內(nèi)部進(jìn)行處理或顯示。因此，要實時做出決策并采取行動，就需要超高速連接解決方案。在本文中，我們通過討論一系列傳統(tǒng)和當(dāng)前汽車網(wǎng)絡(luò)以及滿足關(guān)鍵技術(shù)要求的能力，來考慮它們在這種安全關(guān)鍵型應(yīng)用中的市場潛力。

傳統(tǒng)連接解決方案

高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 可同時處理來自多個攝像頭的圖像信息，并通過與激光雷達(dá)、傳統(tǒng)雷達(dá)和超聲波傳感器等提供的其他數(shù)據(jù)相結(jié)合來進(jìn)行操作（圖 1）。

圖 1：高級駕駛員輔助系統(tǒng)。（來源：貿(mào)澤電子）

這些信息必須通過長達(dá) 15 米的電纜，傳輸?shù)椒植荚谲囕v各處的多個電子控制單元 (ECU)。傳輸這些數(shù)據(jù)的關(guān)鍵要求包括：

·       延遲：隨著汽車的自動駕駛能力越來越高，將無法容忍延遲和數(shù)據(jù)錯誤。來自多個傳感器和攝像頭的信號組合在一起，能夠創(chuàng)建外部環(huán)境的實時 3D 再現(xiàn)。即使單個傳感器數(shù)據(jù)流出現(xiàn)延遲和/或錯誤，也會使 ECU 難以完全解析周圍環(huán)境，這可能對車輛、乘員和附近的人員造成潛在的災(zāi)難性后果。

·       可靠性和穩(wěn)健性：車內(nèi)有限的物理空間會使電磁干擾(EMI) 成為一個真正的大問題。隨著電子元件數(shù)量的增加，空間成為一個瓶頸，并且由于元件和電纜放置得更近，它們就更容易受到串?dāng)_的影響。

·       冗余：與飛機(jī)一樣，高度自動化和自動駕駛車輛需要多個故障安全系統(tǒng)，可以自動圍繞故障點重新追溯數(shù)據(jù)，以使車輛能夠繼續(xù)正常運行或受控停止。

·       帶寬：ADAS 數(shù)據(jù)必須以超過10Gb/s的數(shù)據(jù)速率傳輸。

一些汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)在業(yè)內(nèi)使用了幾十年，但因為它們操作簡單、可靠且成本低廉，因而會繼續(xù)部署在當(dāng)今的車輛中。這些技術(shù)通常部署在低速控制應(yīng)用中，包括以數(shù)十Kb/s速度運行的本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) (LIN)、高達(dá) 1Mb/s 的控制器局域網(wǎng) (CAN) 及其后繼的 CAN_FD（高達(dá) 12Mb/s） . FlexRay 已被一些高端汽車 OEM 用于安全關(guān)鍵型應(yīng)用，并支持高達(dá) 10Mb/s 的數(shù)據(jù)速率。然而，這些都無法滿足當(dāng)前 ADAS 應(yīng)用的數(shù)千兆位帶寬要求，從而基本上可以排除將這些傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)解決方案作為應(yīng)對全新挑戰(zhàn)的潛在候選技術(shù)。

汽車以太網(wǎng)

以太網(wǎng)于 1973 年開發(fā)，并于 1985 年由電氣和電子工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)化為 IEEE802.3，后來成為近乎通用的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議。以太網(wǎng)信號可以通過同軸電纜、光纖和非屏蔽雙絞線電纜傳輸，速度從最初的 10Mb/s提高到目前的 1000Gb/s 以上。隨著計算技術(shù)開始滲透到汽車應(yīng)用，業(yè)界已經(jīng)研究將可信的以太網(wǎng)協(xié)議作為數(shù)據(jù)連接解決方案。 2016 年，IEEE 在 IEE802.3bw 中發(fā)布了第一個汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn) 100Base-T1。雖然有相似之處（兩個版本都使用非屏蔽雙絞線電纜，兩根銅線沿電纜長度絞合在一起，以減少電磁輻射和串?dāng)_），但還是有一些區(qū)別。 

圖 2：TE Connectivity 的汽車以太網(wǎng)連接器

100Base-TX 使用兩對纜線，一對在一個方向上傳輸發(fā)射信號，另一對在相反方向上傳輸接收信號。汽車以太網(wǎng)僅使用單對線 (SPE) 進(jìn)行傳輸和接收，從而使電纜更輕且更便宜。 100Base-TX 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大電纜長度為 100 米，而汽車以太網(wǎng)規(guī)定的最大電纜長度僅為 15 米，這個距離更適合汽車的尺寸和規(guī)模。另一個區(qū)別是用于減少 EMI 和串?dāng)_的編碼方案。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的 100Mb/s IEEE802.3bw 版本已在汽車應(yīng)用中廣泛采用。但是，這種速率不足以同時將來自多個傳感器和高清攝像頭流的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/span> ECU，然后再傳輸?shù)斤@示器。 IEEE 802.3bp 或 1000Base-T1 允許通過雙絞線實現(xiàn)千兆速率，但它的工作頻率為 600 MHz，其缺點是電纜更容易受到串?dāng)_，從而使管理電磁噪聲的任務(wù)進(jìn)一步復(fù)雜化。 2020 年，IEEE 出臺了 802.3ch，它可以在長達(dá) 15 米的電纜上以 2.5Gb/s、5Gb/s和 10Gb/s的標(biāo)準(zhǔn)速率實現(xiàn)多千兆以太網(wǎng)。雖然未來版本的以太網(wǎng)可能具有更高數(shù)據(jù)速率，而且就目前而言，汽車以太網(wǎng)貌似是傳統(tǒng)汽車連接解決方案所執(zhí)行功能的絕佳替代品，但它無法滿足 ADAS 系統(tǒng)和高分辨率顯示器所需的帶寬。

串行鏈接

將高分辨率相機(jī)連接到顯示器不需要像以太網(wǎng)這樣完全對稱的數(shù)據(jù)連接。不對稱“SerDes”系統(tǒng)在發(fā)送端使用串行器 IC，在接收器端使用解串器 IC，目前汽車 OEM 普遍使用它來傳輸高速視頻和傳感器數(shù)據(jù)。早期的解決方案包括 APIX III (Inova)、GMSL(Maxim Integrated)和 FPD III-Link (Texas Instruments)，它們通過單根同軸或差分電纜提供高達(dá) 3 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，該技術(shù)的第二代提高到一個通道上實現(xiàn)高達(dá) 6 Gbps 的數(shù)據(jù)速率（或使用兩個組合通道達(dá)到 12 Gbps）。與汽車以太網(wǎng)相比，SerDes 系統(tǒng)使用非對稱鏈路，這意味著一個方向（下行鏈路）的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)高于另一個方向（上行鏈路）。對于視頻和傳感器應(yīng)用，這已經(jīng)足夠了，因為攝像頭是高速數(shù)據(jù)的主要來源，但僅以低得多的速率接收控制信號。顯示單元也接收高速數(shù)據(jù)，但只是偶爾向 ECU 發(fā)送控制數(shù)據(jù)，例如當(dāng)手指放在觸摸屏上時的情況。這種非對稱方法簡化了物理復(fù)雜性并降低了通道要求，允許汽車 OEM 定制一個比使用全雙工、基于對稱以太網(wǎng)相同速率方案更具成本效益的系統(tǒng)。為了滿足汽車串行鏈路單個統(tǒng)一高速物理層接口的需求，移動工業(yè)處理器接口 (MIPII) 聯(lián)盟成員著手開發(fā) MIPI 汽車 SerDes 解決方案 (MASS)，并最終在2020 年 9 月發(fā)布A-PHY v1.0，這是第一個與供應(yīng)商無關(guān)、用于汽車應(yīng)用的高速、長距離、物理層 SerDes 解決方案，該解決方案也被 IEEE 采用。該標(biāo)準(zhǔn)有一個路線圖，最終實現(xiàn)高達(dá) 32 Gbps 的數(shù)據(jù)速率，使其能夠很好地滿足未來汽車中不斷增加的更多電子系統(tǒng)帶寬要求。

結(jié)論

隨著汽車走向完全自動駕駛，ADAS 系統(tǒng)的數(shù)量以及它們傳輸和處理數(shù)據(jù)的速率將會急劇增加。傳統(tǒng)的汽車網(wǎng)絡(luò)解決方案速度太慢，無法成為能夠應(yīng)對日益增長連接挑戰(zhàn)的可行解決方案。雖然汽車以太網(wǎng)正在逐步提供所需的數(shù)據(jù)速率，但它在與高分辨率顯示器一起使用時，在提供所需的帶寬方面存在不足。目前，非對稱串行鏈路為數(shù)千兆位數(shù)據(jù)通信提供了最佳解決方案，最近為該技術(shù)而建立的 APHY v1.0 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也展示了證明其面向未來應(yīng)用的路線圖。