ADAS以太网：解决汽车业的挑战

　　采用通过 ISO 13400 在 IP 上诊断的作法，让以太网在当今汽车领域实现广泛应用，对比标准以太网的物理接口，这种 IP 诊断方式可更快速地完成重新编程。然而，由于汽车制造商将其选作为无处不在的车载网络总线，故挑战依旧存在。包括摄像头系统在内的先进驾驶辅助系统 （ADAS） 是业内正寻求以太网优势最大化的应用之一。

　　为何应该考虑基于以太网的连接而弃用模拟或 LVDS 方法？ 尤其是在摄像头和中央单元的处理成本均更高的情况下（图 1）。有许多超越这一衡量标准的关键因素最终都能提供更低的成本和更高的性能。

图1  以太网可降低摄像头系统的成本

　　其中一个关键因素就是，支持采用低成本非屏蔽双绞线可显著降低线缆成本。此外，有源以太网 （PoE） 使用基于标准的 100BASE-TX 以太网，因此无需再使用额外的电缆。但是，以太网的真正价值绝非限是减少材料清单而已。以太网的最终目标是以无缝、跨域通信的方式提供无处不在的单一车载网络——在整个汽车领域（包括底盘、动力系统、车身、信息娱乐系统和 ADAS）内应用共同的数据流和实体媒介（线缆）。现在，可以在单一网络上支持域内和跨多域信息共享且无需桥接，这可以极大地降低成本和复杂性。简而言之，以太网是一种网络技术；无论对汽车领域、消费者、企业还是行业而言，这就是其最大价值，也是其在任何市场都能降低成本的原因。

　　车载连接是车内应用中最重大的挑战，故 ADAS 摄像头设计例证了其面临的主要挑战：

　　1. 图像质量会受到摄像头产生的热噪声的直接影响。在缺乏所需空间限制的情况下，改进的热功耗和更低的功率等因素对达到所需性能至关重要。

　　2. 由于电噪声也会降低传感器图像质量，因此必须做到低噪声。尝试使用所需的低成本非屏蔽线缆时，则带来满足汽车 EMC 排放要求的另一大挑战。

　　3. 必须坚守对汽车市场的质量和可靠性的要求。汽车是一种要求严苛的环境，载客车辆、商用车辆和工业车辆的考量都不同。

　　4. 在整部车上部署传感器的需求更胜以往，导致此类应用面临着越来越多的空间限制。各类 ADAS 应用所带来的对零致命事故的强劲需求更推升了此类需求。例如，防碰撞、交通信号灯、路标和行人识别等。

　　解决方案：基于以太网的 ADAS

　　麦瑞找来了汽车传感器专业厂商 Silicon Micro Sensors （SMS） 共同针对要求最严格的汽车和工业应用设计了一个“生产就绪型”解决方案，其特点包括：百万像素级 （720p） 的高动态范围 （HDR） 摄像头、视野范围从 55° 到 190°、MJPEG 视频压缩、以太网 AVB 和有源以太网支持、低成本非屏蔽双绞线、可达 IP68/IP6k9 标准，防水、防刮、防雾。摄像头适用于载客车辆、商用车辆和工业车辆，应用范围包括全景可视和后视、侧视和后视镜更换、交通标志、盲点、行人探测和车道偏离辅助等。

　　该解决方案清楚证明了标准以太网能满足 ADAS 摄像头的需求。该解决方案采用 Quiet-WIRE™ 以太网和 Auto-PoE 技术，是 ADAS 一系列设计中的一种。（图 2）

　　
图2

　　共提供 ApTIna AR0132AT 或 OmniVision OV10635 图像传感器等两种选择。飞思卡尔 MPC5604 处理器可根据输入的 YUV 数字图像数据提供 MJPEG 压缩，并通过媒体独立接口 （MII） 连接到麦瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE™ 100BASE-TX 以太网 PHY。麦瑞 DS1001 MEMS 振荡器提供系统定时，并采用经优化过的汽车有源以太网 Auto-PoE 提供电源管理。

　　以太网直接面对挑战

　　以太网物理层提供一系列可满足 ADAS 摄像头系统需求的好处。采用基于标准的汽车以太网解决方案的一大好处在于，可提供应用独立的最小标准材料清单 （BoM）（图 3）。这可实现超越任何汽车特定解决方案的规模经济效益，并形成多供应商模式，让选择面更广，成本更低。

图3 标准以太网BoM

　　汽车行业最小的 PHY 由尺寸仅有 5mm x 5mm 的麦瑞 KSZ8061 Quiet-WIRE™ 100BASE-TX 以太网收发器提供。必须确保维持最低限度的电源滤波，而独特的是 PHY 收发器和磁性元件之间的线路接口不需要额外的无源器件。这可在提高信号完整性的同时降低成本并缩小印刷电路板板上空间。

　　近年来，合格的汽车以太网磁性元件已大为普及，也能够使用标准的以太网磁性元件。在此，我们使用了 TDK 最新推出的以太网磁性元件，其 ALT4352 系列是一种支持表面黏著技术、以绕线机绕制且尺寸有所减少的解决方案，最大高度仅有 2.9mm，非常适合空间有限的摄像头模块。绕线机绕制磁性的元件不仅成本更低，准确性也更高（相对传统手工绕组而言），并可提供功能更强且更加一致的性能。

　　有源以太网的使用

　　100BASE-TX 磁性元件对实现性能和输送电力同等重要。根据 IEEE 802.3af/at的“幻象供电法”，已不再需要当前采用的安装额外线缆为远程传感器供电的作法，只需通过磁性元件中心抽头提供的直流电压即可供电。这种方法在汽车应用中使用时也可以进一步优化，并在无需任何额外系统成本的前提下提供所有好处。

　　首先，由于汽车接线是固定的，因此不再需要使用桥接整流器。其次是采用冗余有源以太网控制器配置（可显著降低成本）。由于受电端设备 （PD）——在本案例中指摄像头是固定且功率预算已知，因此无需采用相对昂贵的控制器来和供电端设备 （PSE） 协调功率需求。只需提供标准的 DC-DC 稳压器，即可实现摄像头电源管理解决方案（图 4）。采用 Hyper Light Load™ 技术的麦瑞 MIC28511 60Vin 3A 同步降压稳压器可提供经降压的一次电压，在待机等低输出功率工作的情况下可确保高效率的工作。

图4 标准DC-DC稳压器PoE

　　尽管可进行优化和提高成本效益，但标准汽车应用以太网 PoE 仍可提供由“幻象供电”法所带来的额外好处。摄像头（PD 端）提供共模噪声抑制；PSE （ECU） 发出的噪声或沿双绞线电缆提取的噪声将作为共模噪声与差动以太网信号耦合，从而实现清除。此外，摄像头 （PD） 和 ECU （PSE） 接地之间的电流隔离可防止因电位不同而形成的辐射接地回路；这个问题已经司空见惯。还可通过连接到任何其他 IEEE 802.3af/at PSE 实现互操作性。

　　在当今市场上，100BASE-TX 以太网提供的 PHY 技术的功率已是最低。与基于千兆比特的技术解决方案相较，其功率和成本均降低了三倍之多。IEEE 802.3az 节能以太网 （EEE） 的 KSZ8061 支持为摄像头提供了另一项好处，即在闲置状态下（例如，不传送视频流量时），PHY 可以转换为低功耗睡眠模式。这可以减少功耗达 50% 以上。KSZ8061 以太网 PHY 还可以提供小于 1uA 的工业同类最佳超低待机电流，这是所有电池应用的理想之选。

　　此外，KSZ8061 PHY 还提供一个独特的信号检测输出插口，可用于标示活动链路伙伴的存在（图 5）。可由信号检测电路自动激活和唤醒 PHY 待机模式。此外，也可通过该输出插口关闭处理器和传感器进行电源管理，并为摄像头模块提供小于 1uA 的远程待机和唤醒电流。

　　该远程关闭方案能提供各项重要的好处：

　　与任意以太网供应商链路伙伴实现完全互操作（在 ECU）待机功耗降低

　　使用特殊波形/序列的备选方法常常要求采用专有实施方案，这会限制其实际应用。在消费领域，由供应商驱动的网络唤醒 （WoL） 方法就是一个很好的范例。事实上，该领域很少使用这种方法。从待机功耗角度而言，在物理层上实施检测电路所需的信号处理较少，因而功耗也较少。在该备选范例中，WoL 仍需要 PHY 和部分 MAC 层始终保持通电状态，导致待机功耗达到大约千倍以上。

　　Quiet-WIRE™ 技术采用 KSZ8061 以太网 PHY，此与非屏蔽双绞线相较可减少 EMI 线路辐射，并符合汽车 OEM 标准。可以部署 CAN 或 FlexRay 等低成本线缆。线缆也可以采用手工制造，每个连接器均配备一段最长 5cm，无需使用护套的非绞线部分，从而提供最低成本。

　　有源以太网共模噪声抑制和隔离摄像头接地可降低电噪声，从而优化摄像头传感器图像质量。其中还包括因采用 KSZ8061 低功耗 100BASE-TX 技术而降低热噪声。降低热耗散不仅可改善传感器性能，还可实现更高的稳定性和燃料效率。

　　摄像头解决方案所用的 Quiet-WIRE™ 技术不仅能减少辐射，由于其卓越的电流注入性能，还能提供更出色的抗干扰性能。在 1MHz 到 400MHz 的整个频率范围内，当出现 200mA 噪声电流注入时，PHY 收发器完全未出现任何错误，此超越了 OEM 极限。

　　即使有启用 Quiet-WIRE 辐射过滤，KSZ8061 中增强的 PHY 收发器设计仍可提供最短 130 米的无误差线缆范围。这样的性能对工业和商用车辆非常有益，因为抗干扰性能和线缆范围通常长于 15 米的最大汽车接线长度。

　　为满足后视摄像头等安全关键 ADAS 应用的需求，KSZ8061 能够在 20ms 内完成通电和链接，无需处理器干预。此外，KSZ8061 特有的收发器信号质量指示器 （SQI） 也可以实时持续监控线束质量。

　　摄像头时钟定时由麦瑞 DSC1001 MEMS 25MHz 振荡器提供。MEMS 技术具有卓越的频率温度稳定度，与晶体振荡器相较下可提供高达 20 倍的故障前平均时间和 500 倍以上的抗冲击性，因此非常适合此类应用（图 6）。摄像头设计所用的所有设备都符合规定，或能够完全满足汽车 AEC-Q100 标准。

图6   DSC1001MEMS和石英晶体之间的输出频率温度稳定度对比

　　总结

　　各国政府的立法一直致力于改善道路安全情况，此促成了车辆的 ADAS 呈增长的态势。美国国家公路交通安全管理局 （NHTSA） 近期规定，从 2018 年 5 月 1 日开始，所有新造车辆均需达到新的后视范围标准，这是为了防止出现每年导致 210 人死亡和 15，000 人受伤的平均现状。欧洲也正筹划推行类似的举措，以实现道路零事故的伟大使命。

　　ADAS 的挑战，特别是摄像头传感器的挑战要求极其严格。必须兼具功率耗散更强、电噪声最低并能装配到有极大限制的空间内，同时还需满足严苛的车辆安全、质量和可靠性要求。实践证明，标准以太网不仅能够克服这些挑战，甚至还能带来额外的好处。

　　从检验这些好处的角度看来，标准以太网显然不仅能满足 ADAS 的需求，还能解决成本挑战。要在市场中实现成功部署，所有解决方案均需同时做到商业和技术均可行。这是助力以太网成功跨足多个市场的关键要素：它能以最低的总拥有成本提供网络性能。

　　您可从 Silicon Micro Sensors 购买文中提及的摄像头模块，该模块为演示套件（包括可通过以太网开关连接，以便在计算机或笔记本电脑上展示的四个摄像头模块）的一部分。同时还可购买视频分析仪高级开发和分析框架软件，除识别物体外，该软件还可对多达 4 个摄像头进行控制、数据流存储、显示、录像和回放。

　　本文作者  Mike Jones（ 麦瑞公司局域网解决方案营销总监）：

　　Mike Jones 从事半导体行业 25 年，拥有丰富的高科技设计经验，他负责麦瑞局域网解决方案汽车和工业产品的营销工作。Jones 先生拥有英国伯明翰市阿斯顿大学颁发的电子系统工程一级荣誉硕士学位。此外，他还撰写了大量技术杂志文章，并在全球多个技术和工业刊物上进行发表。