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迎接下一代汽车的连接挑战

关键词:自动驾驶 超声波传感器 ADAS

时间:2022-09-28 10:25:30      来源:贸泽电子

汽车正以前所未有的速度不断演进,而且变得更安全、更环保。网络互联、信息共享、自动驾驶和电气化是当今推动汽车行业发展的主要话题。要使汽车能够做出复杂的决策,需要从位于车辆外部的传感器收集大量数据,以便在内部进行处理或显示。因此,要实时做出决策并采取行动,就需要超高速连接解决方案。在本文中,我们通过讨论一系列传统和当前汽车网络以及满足关键技术要求的能力,来考虑它们在这种安全关键型应用中的市场潜力。

汽车正以前所未有的速度不断演进,而且变得更安全、更环保。网络互联、信息共享、自动驾驶和电气化是当今推动汽车行业发展的主要话题。要使汽车能够做出复杂的决策,需要从位于车辆外部的传感器收集大量数据,以便在内部进行处理或显示。因此,要实时做出决策并采取行动,就需要超高速连接解决方案。在本文中,我们通过讨论一系列传统和当前汽车网络以及满足关键技术要求的能力,来考虑它们在这种安全关键型应用中的市场潜力。

传统连接解决方案

高级驾驶辅助系统 (ADAS) 可同时处理来自多个摄像头的图像信息,并通过与激光雷达、传统雷达和超声波传感器等提供的其他数据相结合来进行操作(图 1)。


图 1:高级驾驶员辅助系统。(来源:贸泽电子)

这些信息必须通过长达 15 米的电缆,传输到分布在车辆各处的多个电子控制单元 (ECU)。传输这些数据的关键要求包括:
  
延迟:随着汽车的自动驾驶能力越来越高,将无法容忍延迟和数据错误。来自多个传感器和摄像头的信号组合在一起,能够创建外部环境的实时 3D 再现。即使单个传感器数据流出现延迟和/或错误,也会使 ECU 难以完全解析周围环境,这可能对车辆、乘员和附近的人员造成潜在的灾难性后果。
      
可靠性和稳健性:车内有限的物理空间会使电磁干扰(EMI) 成为一个真正的大问题。随着电子元件数量的增加,空间成为一个瓶颈,并且由于元件和电缆放置得更近,它们就更容易受到串扰的影响。
      
冗余:与飞机一样,高度自动化和自动驾驶车辆需要多个故障安全系统,可以自动围绕故障点重新追溯数据,以使车辆能够继续正常运行或受控停止。

带宽:ADAS 数据必须以超过10Gb/s的数据速率传输。

一些汽车网络技术已经在业内使用了几十年,但因为它们操作简单、可靠且成本低廉,因而会继续部署在当今的车辆中。这些技术通常部署在低速控制应用中,包括以数十Kb/s速度运行的本地互联网络 (LIN)、高达 1Mb/s 的控制器局域网 (CAN) 及其后继的 CAN_FD(高达 12Mb/s) . FlexRay 已被一些高端汽车 OEM 用于安全关键型应用,并支持高达 10Mb/s 的数据速率。然而,这些都无法满足当前 ADAS 应用的数千兆位带宽要求,从而基本上可以排除将这些传统汽车网络解决方案作为应对全新挑战的潜在候选技术。

汽车以太网

以太网于 1973 年开发,并于 1985 年由电气和电子工程师协会标准化为 IEEE802.3,后来成为近乎通用的局域网数据通信协议。以太网信号可以通过同轴电缆、光纤和非屏蔽双绞线电缆传输,速度从最初的 10Mb/s提高到目前的 1000Gb/s 以上。随着计算技术开始渗透到汽车应用,业界已经研究将可信的以太网协议作为数据连接解决方案。 2016 年,IEEE 在 IEE802.3bw 中发布了第一个汽车以太网标准 100Base-T1。虽然有相似之处(两个版本都使用非屏蔽双绞线电缆,两根铜线沿电缆长度绞合在一起,以减少电磁辐射和串扰),但还是有一些区别。 


图 2:TE Connectivity 的汽车以太网连接器

100Base-TX 使用两对缆线,一对在一个方向上传输发射信号,另一对在相反方向上传输接收信号。汽车以太网仅使用单对线 (SPE) 进行传输和接收,从而使电缆更轻且更便宜。 100Base-TX 标准规定的最大电缆长度为 100 米,而汽车以太网规定的最大电缆长度仅为 15 米,这个距离更适合汽车的尺寸和规模。另一个区别是用于减少 EMI 和串扰的编码方案。以太网标准的 100Mb/s IEEE802.3bw 版本已在汽车应用中广泛采用。但是,这种速率不足以同时将来自多个传感器和高清摄像头流的数据传输到 ECU,然后再传输到显示器。 IEEE 802.3bp 或 1000Base-T1 允许通过双绞线实现千兆速率,但它的工作频率为 600 MHz,其缺点是电缆更容易受到串扰,从而使管理电磁噪声的任务进一步复杂化。 2020 年,IEEE 出台了 802.3ch,它可以在长达 15 米的电缆上以 2.5Gb/s、5Gb/s和 10Gb/s的标准速率实现多千兆以太网。虽然未来版本的以太网可能具有更高数据速率,而且就目前而言,汽车以太网貌似是传统汽车连接解决方案所执行功能的绝佳替代品,但它无法满足 ADAS 系统和高分辨率显示器所需的带宽。

串行链接

将高分辨率相机连接到显示器不需要像以太网这样完全对称的数据连接。不对称“SerDes”系统在发送端使用串行器 IC,在接收器端使用解串器 IC,目前汽车 OEM 普遍使用它来传输高速视频和传感器数据。早期的解决方案包括 APIX III (Inova)、GMSL(Maxim Integrated)和 FPD III-Link (Texas Instruments),它们通过单根同轴或差分电缆提供高达 3 Gbps 的数据速率,该技术的第二代提高到一个通道上实现高达 6 Gbps 的数据速率(或使用两个组合通道达到 12 Gbps)。与汽车以太网相比,SerDes 系统使用非对称链路,这意味着一个方向(下行链路)的数据速率远高于另一个方向(上行链路)。对于视频和传感器应用,这已经足够了,因为摄像头是高速数据的主要来源,但仅以低得多的速率接收控制信号。显示单元也接收高速数据,但只是偶尔向 ECU 发送控制数据,例如当手指放在触摸屏上时的情况。这种非对称方法简化了物理复杂性并降低了通道要求,允许汽车 OEM 定制一个比使用全双工、基于对称以太网相同速率方案更具成本效益的系统。为了满足汽车串行链路单个统一高速物理层接口的需求,移动工业处理器接口 (MIPII) 联盟成员着手开发 MIPI 汽车 SerDes 解决方案 (MASS),并最终在2020 年 9 月发布A-PHY v1.0,这是第一个与供应商无关、用于汽车应用的高速、长距离、物理层 SerDes 解决方案,该解决方案也被 IEEE 采用。该标准有一个路线图,最终实现高达 32 Gbps 的数据速率,使其能够很好地满足未来汽车中不断增加的更多电子系统带宽要求。

结论

随着汽车走向完全自动驾驶,ADAS 系统的数量以及它们传输和处理数据的速率将会急剧增加。传统的汽车网络解决方案速度太慢,无法成为能够应对日益增长连接挑战的可行解决方案。虽然汽车以太网正在逐步提供所需的数据速率,但它在与高分辨率显示器一起使用时,在提供所需的带宽方面存在不足。目前,非对称串行链路为数千兆位数据通信提供了最佳解决方案,最近为该技术而建立的 APHY v1.0 行业标准也展示了证明其面向未来应用的路线图。

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