ADAS以太網(wǎng)：解決汽車業(yè)的挑戰(zhàn)

　　采用通過(guò) 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(wú)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(shì)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。

圖1 以太網(wǎng)可降低攝像頭系統(tǒng)的成本

　　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(wú)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(wú)縫、跨域通信的方式提供無(wú)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(lè)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）。現(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(wú)需橋接，這可以極大地降低成本和復(fù)雜性。簡(jiǎn)而言之，以太網(wǎng)是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；無(wú)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(chǎng)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(lái)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(chǎng)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(lái)越多的空間限制。各類 ADAS 應(yīng)用所帶來(lái)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(lái)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(wàn)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(cè)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）

　　
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(guò)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(guò)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。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)BoM

　　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(wú)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(lái)，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(guò)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(wú)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(wú)需采用相對(duì)昂貴的控制器來(lái)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。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)DC-DC穩(wěn)壓器PoE

　　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(lái)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(wèn)題已經(jīng)司空見(jiàn)慣。還可通過(guò)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(chǎng)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(cè)輸出插口，可用于標(biāo)示活動(dòng)鏈路伙伴的存在（圖 5）?？捎尚盘?hào)檢測(cè)電路自動(dòng)激活和喚醒 PHY 待機(jī)模式。此外，也可通過(guò)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(cè)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(zhǎng) 5cm，無(wú)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(guò)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(wú)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(zhǎng)于 15 米的最大汽車接線長(zhǎng)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(wú)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)。

圖6 DSC1001MEMS和石英晶體之間的輸出頻率溫度穩(wěn)定度對(duì)比

　　總結(jié)

　　各國(guó)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(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。美國(guó)國(guó)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(lái)額外的好處。

　　從檢驗(yàn)這些好處的角度看來(lái)，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(chǎng)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(chǎng)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(gòu)買文中提及的攝像頭模塊，該模塊為演示套件（包括可通過(guò)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(gòu)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。

　　本文作者 Mike Jones（ 麥瑞公司局域網(wǎng)解決方案營(yíng)銷總監(jiān)）：

　　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(yíng)銷工作。Jones 先生擁有英國(guó)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。