現(xiàn)代 ADAS 架構(gòu)通信協(xié)議

引言

1915 年，福特汽車公司首次推出了汽車中的電子元件，當(dāng)時(shí)福特汽車公司向其 T 型汽車引入了電燈和電喇叭。從那時(shí)起，汽車對(duì)電氣和電子系統(tǒng)的依賴一直在穩(wěn)步增加。初始系統(tǒng)往往是本地且獨(dú)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(yáng)聲器的繼電器。

隨著架構(gòu)的演變，汽車內(nèi)各種子系統(tǒng)進(jìn)行通信的機(jī)制也在不斷演變。例如，當(dāng)汽車檢測(cè)到車外環(huán)境光線減弱時(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(diào)整所有顯示屏的亮度水平，調(diào)整所有攝像頭的白平衡，增加與前方車輛保持的距離，并更加強(qiáng)調(diào)制動(dòng)模塊，從而打造更安全的駕駛體驗(yàn)。

隨著自動(dòng)駕駛汽車的不斷發(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(zhàn)只因傳輸和接收的數(shù)據(jù)數(shù)量不再是數(shù)百千位/秒，而是幾十千兆位/秒。

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

圖 1. 汽車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，并且正在成為車輛的主要通信協(xié)議。一些車輛使用以太網(wǎng)來(lái)傳輸各種高速數(shù)據(jù)；雷達(dá)和激光雷達(dá)模塊等汽車應(yīng)用使用單線對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)。單線對(duì)以太網(wǎng)使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，但數(shù)據(jù)通過(guò)單根雙絞線進(jìn)行傳輸，從而降低了車輛中的電纜重量和成本。

以太網(wǎng)是一種封包化系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)各部分節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)包會(huì)傳輸信息。與 CAN 總線一樣，以太網(wǎng)是雙向的，并且任何單獨(dú)鏈路上的速度都隨著系統(tǒng)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而降低。對(duì)于單線對(duì)以太網(wǎng)，任何單獨(dú)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)，單線對(duì)以太網(wǎng)可以通過(guò)鏈路傳輸數(shù)據(jù)，速度比 CAN 總線快 1,000 倍。改為單線對(duì)以太網(wǎng)將優(yōu)化 CAN 總線上的數(shù)據(jù)傳輸速度，但由于以太網(wǎng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本較高，因此它可能不會(huì)取代（而是增加）CAN 總線。

如今，有些汽車使用單線對(duì)以太網(wǎng)來(lái)滿足備用攝像頭和雷達(dá)等數(shù)據(jù)密集型要求。例如，德州儀器 (TI) 的 DP83TC812S-Q1

和 DP83TG720S-Q1 是單線對(duì)以太網(wǎng)物理層 (PHY)，根據(jù)汽車電子委員會(huì)-Q100 1 級(jí)和 2 級(jí)進(jìn)行篩選，并包含環(huán)回測(cè)試模式，有助于實(shí)現(xiàn)符合電氣電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE) 802.3bw 和 802.3bp 汽車標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)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(biāo)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(shù)據(jù)。對(duì)于備用攝像頭等應(yīng)用，攝像頭中需要有一個(gè)相對(duì)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(duì)大功率處理器的需求意味著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(yīng)的視頻質(zhì)量）與支持的視頻通道數(shù)量之間進(jìn)行權(quán)衡。通過(guò)在汽車內(nèi)以分層配置設(shè)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(jī)控制和診斷，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理后座娛樂(lè)系統(tǒng)和音頻系統(tǒng)，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(qiáng)攝像頭。最后，單線對(duì)以太網(wǎng)提供比 CAN 總線更高的容量來(lái)傳輸雷達(dá)和激光雷達(dá)等數(shù)據(jù)，但代 價(jià)是復(fù)雜性更高，但仍然難以處理視頻等高帶寬應(yīng)用。

FPD-Link 技術(shù)

FPD-Link 是專有的汽車串行器/解串器技術(shù)，專為實(shí)時(shí)無(wú)壓縮傳輸高帶寬數(shù)據(jù)而開(kāi)發(fā)。具體而言，F(xiàn)PD-Link 是為在車內(nèi)傳輸視頻數(shù)據(jù)而開(kāi)發(fā)的，從而在駕駛輔助應(yīng)用中增強(qiáng)了數(shù)據(jù)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(hào)發(fā)送回汽車或駕駛員，例如用于自動(dòng)制動(dòng)。FPD-Link 的物理層是雙絞線或同軸電纜。布線是專用的，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(yīng)用中使用 FPD-Link 的主要優(yōu)勢(shì)是，攝像頭和顯示屏都可以是更簡(jiǎn)單的電路，因?yàn)椴恍枰獕嚎s和解壓縮。

此外，由于鏈路是專用的，因此一個(gè)視頻系統(tǒng)的圖像質(zhì)量與車輛中的其他元素?zé)o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，也可用于以高達(dá) 1Mbps 的速率控制 GPIO 線路。可以使用反向通道配置攝像頭、操作變焦鏡頭或?qū)⒂|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(duì)于自主駕駛車輛，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(duì)于后座娛樂(lè)系統(tǒng)等應(yīng)用，從 DVD 讀取數(shù)據(jù)與其在屏幕上顯示數(shù)據(jù)之間的延遲并不重要。但是，如果傳輸?shù)膱D像來(lái)自在車輛路徑中尋找行人的攝像頭，則延遲可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)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，并有助于降低整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)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(shè)的雙絞線電纜的顯示屏。此雙絞線電纜支持?jǐn)z像頭視頻數(shù)據(jù)和觸摸屏或攝像頭設(shè)置數(shù)據(jù)。電纜還可以為顯示器或攝像頭供電。由于每個(gè)鏈路都專用于一個(gè)外設(shè)，因此消除了兩個(gè)攝像頭信號(hào)之間的干擾風(fēng)險(xiǎn)，從而提高了處理和分析的數(shù)據(jù)完整性，使 ADAS 功能更可靠、更準(zhǔn)確。從多個(gè)攝像頭傳輸數(shù)據(jù)的能力對(duì)自動(dòng)泊車等環(huán)視應(yīng)用尤其有利，在這些應(yīng)用中，車輛周圍的 360 度全景可為駕駛員提供關(guān)鍵信息，從而實(shí)現(xiàn)更安全的駕駛體驗(yàn)。觀看什么是 FPD-Link？，了解有關(guān) FPD-Link 基礎(chǔ)的更多信息。

圖 2. 具有 FPD-Link 的多攝像頭系統(tǒng)。

CAN 總線

CAN 通信自 Robert Bosch GmbH 于 20 世紀(jì) 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)議顯著減少了車輛中所需的電纜布線，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了仲裁通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將總線訪問(wèn)權(quán)限授予總線上的最高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)。CAN 協(xié)議和物理層最初是在二十世紀(jì)九十年代初標(biāo)準(zhǔn)化的，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 1Mbps。如今，CAN 通信已發(fā)展到高達(dá) 10Mbps 的速度，彌補(bǔ)了 20 世紀(jì) 90 年代經(jīng)典 CAN 與 10Base-T 等低速汽車以太網(wǎng)之間的差距。

CAN 是一個(gè)多命令器串行總線；換句話說(shuō)，當(dāng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)可以讀取和寫(xiě)入 CAN 總線時(shí)，沒(méi)有單個(gè)命令器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。每個(gè)報(bào)文幀都包含一個(gè)標(biāo)識(shí)符，用于確定 CAN 報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)嘗試同時(shí)發(fā)送到 CAN 總線，則具有最高優(yōu)先級(jí)（或最低仲裁 ID）的節(jié)點(diǎn)將控制總線。CAN 通信在惡劣環(huán)境中是可靠的，它允許 ECU 僅與一對(duì)電線進(jìn)行通信。

最初在 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)發(fā) CAN 時(shí)，車輛中的 ECU 數(shù)量 相對(duì)較少。如今，乘用車可以包含 100 多個(gè) ECU，控制功能包括基本動(dòng)力轉(zhuǎn)向和豪華功能，如座椅按摩器和方向盤加熱器。隨著 ECU 的增加以及乘客車輛對(duì)更高級(jí)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(hào)改善功能 (SIC) 和 CAN 超長(zhǎng) (XL) 等新標(biāo)準(zhǔn)。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的通信標(biāo)準(zhǔn)，滿足高帶寬、超低延遲性能要求。PCIe 在工業(yè)應(yīng)用中更為常用，隨著制造商開(kāi)始重新思考數(shù)據(jù)主干架構(gòu)，從而支持高帶寬和低延遲系統(tǒng)處理需要實(shí)時(shí)處理的傳感器數(shù)據(jù)和用戶信息呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的情況，PCIe 現(xiàn)已在汽車應(yīng)用中興起。

為了解決這一難題，集中式計(jì)算節(jié)點(diǎn)支持多種不同類型的域（ADAS、信息娛樂(lè)、動(dòng)力總成）。這種集中式計(jì)算盒通常包含許多支持汽車不同功能的模塊，使汽車制造商可以靈活地上下擴(kuò)展和定制汽車功能，而無(wú)需重新設(shè)計(jì)整個(gè)域控制器。由于 PCIe 支持一個(gè)根復(fù)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(shè)計(jì)可顯著降低汽車所需的整體 ECU 和電纜數(shù)量。

當(dāng)汽車行業(yè)開(kāi)始在整個(gè)數(shù)據(jù)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?yàn)樵S多 CPU 內(nèi)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(zhuǎn)換。PCIe 有一個(gè)擁有開(kāi)放軟件資源的巨大生態(tài)系統(tǒng)，并且憑借 可擴(kuò)展性非常強(qiáng)的帶寬，它的帶寬連續(xù)一代增加了一倍。因此，PCIe 協(xié)議可能會(huì)跟上汽車數(shù)據(jù)處理指數(shù)增長(zhǎng)所需的帶寬。

在設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)信號(hào)路徑時(shí)，信號(hào)衰減會(huì)成為一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)?？赡苄枰D(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器或重定時(shí)器等信號(hào)調(diào)節(jié)器來(lái)恢復(fù)和補(bǔ)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(zhǎng)期以來(lái)，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和重定時(shí)器在 PCIe 生態(tài)系統(tǒng)中一直可靠，可提高通過(guò) PCIe 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的整體信號(hào)完整性。表 2 列出了轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和重定時(shí)器之間的差異。觀看視頻解決 PCIe 信號(hào)完整性難題，詳細(xì)了解構(gòu)成 PCIe 信號(hào)路徑的元件。

表 2. PCIe 轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和重定時(shí)器的比較。

結(jié)論

種接口更適合汽車通信？它們都適合，但每個(gè)都有自身的用途。當(dāng)帶寬要求上升時(shí)，例如雷達(dá)和 LIDAR 數(shù)據(jù)傳輸，以太網(wǎng)支持必要的帶寬需求。當(dāng)需要超高帶寬和超低延遲的鏈路時(shí)，例如對(duì)于為自動(dòng)駕駛車輛提供輸入的環(huán)視攝像頭系統(tǒng)，F(xiàn)PD-Link 就可以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。CAN 總線繼續(xù)為低速度控制應(yīng)用提供 ADAS 支持，對(duì)于此類應(yīng)用，成本是驅(qū)動(dòng)因素，例如數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)劃分、安全氣囊部署等。PCIe 可滿足移動(dòng)不斷增加的需要實(shí)時(shí)處理的傳感器數(shù)據(jù)和用戶信息的需求。這四種關(guān)鍵的汽車通信協(xié)議共同構(gòu)建了集成的互聯(lián)車輛，可實(shí)時(shí)支持駕駛員安全并滿足 ADAS 架構(gòu)不斷增長(zhǎng)的要求。請(qǐng)?jiān)L問(wèn)傳感器融合，詳細(xì)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(yīng)用的可靠性。

參考文獻(xiàn)

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(hào)完整性難題