ADAS 以太網(wǎng):解決汽車業(yè)的挑戰(zhàn)
作者:Mike Jones. 麥瑞公司局域網(wǎng)解決方案營銷總監(jiān)
采用通過 ISO 13400 在 IP 上診斷的作法,讓以太網(wǎng)在當(dāng)今汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用,對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的物理接口,這種 IP 診斷方式可更快速地完成重新編程。然而,由于汽車制造商將其選作為無處不在的車載網(wǎng)絡(luò)總線,故挑戰(zhàn)依舊存在。包括攝像頭系統(tǒng)在內(nèi)的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 是業(yè)內(nèi)正尋求以太網(wǎng)優(yōu)勢最大化的應(yīng)用之一。
為何應(yīng)該考慮基于以太網(wǎng)的連接而棄用模擬或 LVDS 方法? 尤其是在攝像頭和中央單元的處理成本均更高的情況下(圖 1)。有許多超越這一衡量標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵因素最終都能提供更低的成本和更高的性能。
其中一個(gè)關(guān)鍵因素就是,支持采用低成本非屏蔽雙絞線可顯著降低線纜成本。此外,有源以太網(wǎng) (PoE) 使用基于標(biāo)準(zhǔn)的 100BASE-TX 以太網(wǎng),因此無需再使用額外的電纜。但是,以太網(wǎng)的真正價(jià)值絕非限是減少材料清單而已。以太網(wǎng)的最終目標(biāo)是以無縫、跨域通信的方式提供無處不在的單一車載網(wǎng)絡(luò)——在整個(gè)汽車領(lǐng)域(包括底盤、動(dòng)力系統(tǒng)、車身、信息娛樂系統(tǒng)和 ADAS)內(nèi)應(yīng)用共同的數(shù)據(jù)流和實(shí)體媒介(線纜)?,F(xiàn)在,可以在單一網(wǎng)絡(luò)上支持域內(nèi)和跨多域信息共享且無需橋接,這可以極大地降低成本和復(fù)雜性。簡而言之,以太網(wǎng)是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù);無論對(duì)汽車領(lǐng)域、消費(fèi)者、企業(yè)還是行業(yè)而言,這就是其最大價(jià)值,也是其在任何市場都能降低成本的原因。
車載連接是車內(nèi)應(yīng)用中最重大的挑戰(zhàn),故 ADAS 攝像頭設(shè)計(jì)例證了其面臨的主要挑戰(zhàn):
1. 圖像質(zhì)量會(huì)受到攝像頭產(chǎn)生的熱噪聲的直接影響。在缺乏所需空間限制的情況下,改進(jìn)的熱功耗和更低的功率等因素對(duì)達(dá)到所需性能至關(guān)重要。
2. 由于電噪聲也會(huì)降低傳感器圖像質(zhì)量,因此必須做到低噪聲。嘗試使用所需的低成本非屏蔽線纜時(shí),則帶來滿足汽車 EMC 排放要求的另一大挑戰(zhàn)。
3. 必須堅(jiān)守對(duì)汽車市場的質(zhì)量和可靠性的要求。汽車是一種要求嚴(yán)苛的環(huán)境,載客車輛、商用車輛和工業(yè)車輛的考量都不同。
4. 在整部車上部署傳感器的需求更勝以往,導(dǎo)致此類應(yīng)用面臨著越來越多的空間限制。各類 ADAS 應(yīng)用所帶來的對(duì)零致命事故的強(qiáng)勁需求更推升了此類需求。例如,防碰撞、交通信號(hào)燈、路標(biāo)和行人識(shí)別等。
解決方案:基于以太網(wǎng)的 ADAS
麥瑞找來了汽車傳感器專業(yè)廠商 Silicon Micro Sensors (SMS) 共同針對(duì)要求最嚴(yán)格的汽車和工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)了一個(gè)“生產(chǎn)就緒型”解決方案,其特點(diǎn)包括:百萬像素級(jí) (720p) 的高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR) 攝像頭、視野范圍從 55° 到 190°、MJPEG 視頻壓縮、以太網(wǎng) AVB 和有源以太網(wǎng)支持、低成本非屏蔽雙絞線、可達(dá) IP68/IP6k9 標(biāo)準(zhǔn),防水、防刮、防霧。攝像頭適用于載客車輛、商用車輛和工業(yè)車輛,應(yīng)用范圍包括全景可視和后視、側(cè)視和后視鏡更換、交通標(biāo)志、盲點(diǎn)、行人探測和車道偏離輔助等。
該解決方案清楚證明了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)能滿足 ADAS 攝像頭的需求。該解決方案采用 Quiet-WIRE™ 以太網(wǎng)和 Auto-PoE 技術(shù),是 ADAS 一系列設(shè)計(jì)中的一種。(圖 2)
共提供 Aptina AR0132AT 或 OmniVision OV10635 圖像傳感器等兩種選擇。飛思卡爾 MPC5604 處理器可根據(jù)輸入的 YUV 數(shù)字圖像數(shù)據(jù)提供 MJPEG 壓縮,并通過媒體獨(dú)立接口 (MII) 連接到麥瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE™ 100BASE-TX 以太網(wǎng) PHY。麥瑞 DS1001 MEMS 振蕩器提供系統(tǒng)定時(shí),并采用經(jīng)優(yōu)化過的汽車有源以太網(wǎng) Auto-PoE 提供電源管理。
以太網(wǎng)直接面對(duì)挑戰(zhàn)
以太網(wǎng)物理層提供一系列可滿足 ADAS 攝像頭系統(tǒng)需求的好處。采用基于標(biāo)準(zhǔn)的汽車以太網(wǎng)解決方案的一大好處在于,可提供應(yīng)用獨(dú)立的最小標(biāo)準(zhǔn)材料清單 (BoM)(圖 3)。這可實(shí)現(xiàn)超越任何汽車特定解決方案的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益,并形成多供應(yīng)商模式,讓選擇面更廣,成本更低。
汽車行業(yè)最小的 PHY 由尺寸僅有 5mm x 5mm 的麥瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE™ 100BASE-TX 以太網(wǎng)收發(fā)器提供。必須確保維持最低限度的電源濾波,而獨(dú)特的是 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(hào)完整性的同時(shí)降低成本并縮小印刷電路板板上空間。
近年來,合格的汽車以太網(wǎng)磁性元件已大為普及,也能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)磁性元件。在此,我們使用了 TDK 最新推出的以太網(wǎng)磁性元件,其 ALT4352 系列是一種支持表面黏著技術(shù)、以繞線機(jī)繞制且尺寸有所減少的解決方案,最大高度僅有 2.9mm,非常適合空間有限的攝像頭模塊。繞線機(jī)繞制磁性的元件不僅成本更低,準(zhǔn)確性也更高(相對(duì)傳統(tǒng)手工繞組而言),并可提供功能更強(qiáng)且更加一致的性能。
有源以太網(wǎng)的使用
100BASE-TX 磁性元件對(duì)實(shí)現(xiàn)性能和輸送電力同等重要。根據(jù) IEEE 802.3af/at的“幻象供電法”,已不再需要當(dāng)前采用的安裝額外線纜為遠(yuǎn)程傳感器供電的作法,只需通過磁性元件中心抽頭提供的直流電壓即可供電。這種方法在汽車應(yīng)用中使用時(shí)也可以進(jìn)一步優(yōu)化,并在無需任何額外系統(tǒng)成本的前提下提供所有好處。
首先,由于汽車接線是固定的,因此不再需要使用橋接整流器。其次是采用冗余有源以太網(wǎng)控制器配置(可顯著降低成本)。由于受電端設(shè)備 (PD)——在本案例中指攝像頭是固定且功率預(yù)算已知,因此無需采用相對(duì)昂貴的控制器來和供電端設(shè)備 (PSE) 協(xié)調(diào)功率需求。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(圖 4)。采用 Hyper Light Load™ 技術(shù)的麥瑞 MIC28511 60Vin 3A 同步降壓穩(wěn)壓器可提供經(jīng)降壓的一次電壓,在待機(jī)等低輸出功率工作的情況下可確保高效率的工作。
盡管可進(jìn)行優(yōu)化和提高成本效益,但標(biāo)準(zhǔn)汽車應(yīng)用以太網(wǎng) PoE 仍可提供由“幻象供電”法所帶來的額外好處。攝像頭(PD 端)提供共模噪聲抑制;PSE (ECU) 發(fā)出的噪聲或沿雙絞線電纜提取的噪聲將作為共模噪聲與差動(dòng)以太網(wǎng)信號(hào)耦合,從而實(shí)現(xiàn)清除。此外,攝像頭 (PD) 和 ECU (PSE) 接地之間的電流隔離可防止因電位不同而形成的輻射接地回路;這個(gè)問題已經(jīng)司空見慣。還可通過連接到任何其他 IEEE 802.3af/at PSE 實(shí)現(xiàn)互操作性。
在當(dāng)今市場上,100BASE-TX 以太網(wǎng)提供的 PHY 技術(shù)的功率已是最低。與基于千兆比特的技術(shù)解決方案相較,其功率和成本均降低了三倍之多。IEEE 802.3az 節(jié)能以太網(wǎng) (EEE) 的 KSZ8061 支持為攝像頭提供了另一項(xiàng)好處,即在閑置狀態(tài)下(例如,不傳送視頻流量時(shí)),PHY 可以轉(zhuǎn)換為低功耗睡眠模式。這可以減少功耗達(dá) 50% 以上。KSZ8061 以太網(wǎng) PHY 還可以提供小于 1uA 的工業(yè)同類最佳超低待機(jī)電流,這是所有電池應(yīng)用的理想之選。
此外,KSZ8061 PHY 還提供一個(gè)獨(dú)特的信號(hào)檢測輸出插口,可用于標(biāo)示活動(dòng)鏈路伙伴的存在(圖 5)。可由信號(hào)檢測電路自動(dòng)激活和喚醒 PHY 待機(jī)模式。此外,也可通過該輸出插口關(guān)閉處理器和傳感器進(jìn)行電源管理,并為攝像頭模塊提供小于 1uA 的遠(yuǎn)程待機(jī)和喚醒電流。
該遠(yuǎn)程關(guān)閉方案能提供各項(xiàng)重要的好處:
與任意以太網(wǎng)供應(yīng)商鏈路伙伴實(shí)現(xiàn)完全互操作(在 ECU)待機(jī)功耗降低
使用特殊波形/序列的備選方法常常要求采用專有實(shí)施方案,這會(huì)限制其實(shí)際應(yīng)用。在消費(fèi)領(lǐng)域,由供應(yīng)商驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)喚醒 (WoL) 方法就是一個(gè)很好的范例。事實(shí)上,該領(lǐng)域很少使用這種方法。從待機(jī)功耗角度而言,在物理層上實(shí)施檢測電路所需的信號(hào)處理較少,因而功耗也較少。在該備選范例中,WoL 仍需要 PHY 和部分 MAC 層始終保持通電狀態(tài),導(dǎo)致待機(jī)功耗達(dá)到大約千倍以上。
Quiet-WIRE™ 技術(shù)采用 KSZ8061 以太網(wǎng) PHY,此與非屏蔽雙絞線相較可減少 EMI 線路輻射,并符合汽車 OEM 標(biāo)準(zhǔn)??梢圆渴?CAN 或 FlexRay 等低成本線纜。線纜也可以采用手工制造,每個(gè)連接器均配備一段最長 5cm,無需使用護(hù)套的非絞線部分,從而提供最低成本。
有源以太網(wǎng)共模噪聲抑制和隔離攝像頭接地可降低電噪聲,從而優(yōu)化攝像頭傳感器圖像質(zhì)量。其中還包括因采用 KSZ8061 低功耗 100BASE-TX 技術(shù)而降低熱噪聲。降低熱耗散不僅可改善傳感器性能,還可實(shí)現(xiàn)更高的穩(wěn)定性和燃料效率。
攝像頭解決方案所用的 Quiet-WIRE™ 技術(shù)不僅能減少輻射,由于其卓越的電流注入性能,還能提供更出色的抗干擾性能。在 1MHz 到 400MHz 的整個(gè)頻率范圍內(nèi),當(dāng)出現(xiàn) 200mA 噪聲電流注入時(shí),PHY 收發(fā)器完全未出現(xiàn)任何錯(cuò)誤,此超越了 OEM 極限。
即使有啟用 Quiet-WIRE 輻射過濾,KSZ8061 中增強(qiáng)的 PHY 收發(fā)器設(shè)計(jì)仍可提供最短 130 米的無誤差線纜范圍。這樣的性能對(duì)工業(yè)和商用車輛非常有益,因?yàn)榭垢蓴_性能和線纜范圍通常長于 15 米的最大汽車接線長度。
為滿足后視攝像頭等安全關(guān)鍵 ADAS 應(yīng)用的需求,KSZ8061 能夠在 20ms 內(nèi)完成通電和鏈接,無需處理器干預(yù)。此外,KSZ8061 特有的收發(fā)器信號(hào)質(zhì)量指示器 (SQI) 也可以實(shí)時(shí)持續(xù)監(jiān)控線束質(zhì)量。
攝像頭時(shí)鐘定時(shí)由麥瑞 DSC1001 MEMS 25MHz 振蕩器提供。MEMS 技術(shù)具有卓越的頻率溫度穩(wěn)定度,與晶體振蕩器相較下可提供高達(dá) 20 倍的故障前平均時(shí)間和 500 倍以上的抗沖擊性,因此非常適合此類應(yīng)用(圖 6)。攝像頭設(shè)計(jì)所用的所有設(shè)備都符合規(guī)定,或能夠完全滿足汽車 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)。
總結(jié)
各國政府的立法一直致力于改善道路安全情況,此促成了車輛的 ADAS 呈增長的態(tài)勢。美國國家公路交通安全管理局 (NHTSA) 近期規(guī)定,從 2018 年 5 月 1 日開始,所有新造車輛均需達(dá)到新的后視范圍標(biāo)準(zhǔn),這是為了防止出現(xiàn)每年導(dǎo)致 210 人死亡和 15,000 人受傷的平均現(xiàn)狀。歐洲也正籌劃推行類似的舉措,以實(shí)現(xiàn)道路零事故的偉大使命。
ADAS 的挑戰(zhàn),特別是攝像頭傳感器的挑戰(zhàn)要求極其嚴(yán)格。必須兼具功率耗散更強(qiáng)、電噪聲最低并能裝配到有極大限制的空間內(nèi),同時(shí)還需滿足嚴(yán)苛的車輛安全、質(zhì)量和可靠性要求。實(shí)踐證明,標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)不僅能夠克服這些挑戰(zhàn),甚至還能帶來額外的好處。
從檢驗(yàn)這些好處的角度看來,標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)顯然不僅能滿足 ADAS 的需求,還能解決成本挑戰(zhàn)。要在市場中實(shí)現(xiàn)成功部署,所有解決方案均需同時(shí)做到商業(yè)和技術(shù)均可行。這是助力以太網(wǎng)成功跨足多個(gè)市場的關(guān)鍵要素:它能以最低的總擁有成本提供網(wǎng)絡(luò)性能。
您可從 Silicon Micro Sensors 購買文中提及的攝像頭模塊,該模塊為演示套件(包括可通過以太網(wǎng)開關(guān)連接,以便在計(jì)算機(jī)或筆記本電腦上展示的四個(gè)攝像頭模塊)的一部分。同時(shí)還可購買視頻分析儀高級(jí)開發(fā)和分析框架軟件,除識(shí)別物體外,該軟件還可對(duì)多達(dá) 4 個(gè)攝像頭進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)、顯示、錄像和回放。
Mike Jones:
Mike Jones 從事半導(dǎo)體行業(yè) 25 年,擁有豐富的高科技設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),他負(fù)責(zé)麥瑞局域網(wǎng)解決方案汽車和工業(yè)產(chǎn)品的營銷工作。Jones 先生擁有英國伯明翰市阿斯頓大學(xué)頒發(fā)的電子系統(tǒng)工程一級(jí)榮譽(yù)碩士學(xué)位。此外,他還撰寫了大量技術(shù)雜志文章,并在全球多個(gè)技術(shù)和工業(yè)刊物上進(jìn)行發(fā)表。
評(píng)論