汽车以太网所面临的物理挑战-电子工程世界

如今，以太网是汽车领域的一项成熟技术，它延续采用并集成 ISO 13400 互联网协议诊断通信 (DoIP) 协议。这种趋势正通过标准的以太网物理接口提供迅速的重新编程速度。当然，要想让以太网作为车载网络总线的通用标准被人们广泛接纳，仍有一些问题亟需解决。

高级驾驶辅助系统 (ADAS)，尤其是更引人关注的摄像系统，只是行业在寻求利用以太网众多优势的大量应用之一。在本篇文章中，我们将分析汽车以太网所面临的挑战，并以一项成熟的基于以太网的 ADAS 传感器解决方案为例进行说明。

在 ADAS 中为何选择以太网？

设计师为何应考虑以太网为基础的连接，其原因可能并不明显，因为已有许多非常成熟的方案供其选择，如模拟和 LVDS 接口技术。使用以太网可能会增加处理成本，但是，选用低成本的非屏蔽线缆可在很大程度上降低线缆成本。而且，标准的 100BASE-TX 以太网通过以太网供电 (PoE) 而无需额外的电源缆线。值得注意的是，以太网可提供一个统一的通用车载网络，通过通用数据流和物理介质（线缆）提供跨域无缝通信。该技术无需桥接，因而可从根本上降低成本和复杂性。

ADAS 摄像系统挑战

ADAS 摄像系统在设计上面临车载连接性这一重大挑战，可以说是汽车领域最为严苛的应用之一。

小尺寸

面向工业和汽车应用的摄像头和传感器市场的发展，催生了越来越多的空间限制要求。

低功耗

摄像头传感器产生的热噪声将直接影响图像质量。改善热功耗、避免受到必要空间限制的影响和降低功耗，对达到所需性能至关重要。

低噪声

正如热噪声一样，电气噪声也会降低传感器的图像质量。此外，最好还可以在不使用光纤或屏蔽线缆等高成本线缆的前提下满足工业 EMC 辐射要求。

高可靠性

能够在极端恶劣环境中提供必要的性能。

为证明标准以太网符合 ADAS 摄像系统的需求，Micrel 公司与汽车传感器专业厂商 Silicon Micro Sensors GmbH（First Sensor AG 的移动业务部）共同针对要求最严格的应用，设计出一款小型“可随时投产”的汽车和工业级解决方案：

高动态范围 (HDR) 百万像素 (720p) 摄像头

视野范围介于 55° 与 190°之间

MJPEG 视频压缩

以太网 AVB 兼容比特流（MJPEG 或 UDP）

支持以太网供电

在低成本非屏蔽双绞线上的速度可超过 100Mbps

达到 IP68 / IP6k9 标准，防水、防刮、防雾

摄像系统解决方案是采用 Micrel 的 Quiet-WIRE™ 以太网和 Auto-PoE 技术的诸多 ADAS 设计之一。下方图 1 所示的 Micrel / SMS 解决方案基本功能块示意图，在所有标准以太网摄像系统设计中较为普遍。

因应挑战

以太网物理层可提供一系列可满足 ADAS 摄像系统需求的优势。

减少物料清单 (BoM) 并降低尺寸

采用标准的汽车以太网解决方案的一项重要优势在于，可提供独立于应用的最少标准物料清单，如下方图 2 所示。这提供了可超越任何汽车特定解决方案的规模经济效益，从而可形成多供应商模式，使选择面更广，成本更低。

物理层由仅 5mm x 5mm 尺寸的 Micrel KSZ8061 Quiet-WIRE™ 100BASE-TX 以太网收发器提供。需要标称电源滤波器，让许多设计者惊讶的是，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和缩小 PCB 板空间。

另外也可以部署标准以太网磁性元件。近年来，汽车应用领域合格的以太网磁性元件已广泛普及。Micrel 已采用 TDK 最新推出的汽车以太网变压器和共模扼流圈。ALT4352 系列提供表面贴装、绕线机绕制且尺寸更小的解决方案，最大高度仅为 2.9mm。这非常适合空间受限的摄像系统模块。相对传统手绕线圈而言，绕线机绕制的磁性元件不但可以降低成本，而且还可提高准确性。这一切都有助于提供始终如一的更强性能。

免费提供以太网供电！

100BASE-TX 磁性元件不仅对实现性能至关重要，而且还是输送电力的必备元件。根据 IEEE 802.3af/at“幻象供电法”，已不再需要目前采用的安装额外线缆来为远程传感器供电的做法，只需采用通过磁性元件中心抽头提供的直流电压即可供电。此外，在汽车应用中使用时，这种方法也可以进一步获得优化，在无需任何额外系统成本的情况下提供所有益处。首先，由于汽车接线是固定的，因此不再需要使用桥式整流器。其次，无需采用异常昂贵的 PoE 控制器。受电端设备 (PD)，在本例中指摄像头，是固定的且功耗已知，因此无需采用相对昂贵的控制器来配合供电端设备 (PSE) 以协调功率需求。如图 3 所示，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。采用 Hyper Light Load™ 技术的Micrel MIC28511 60Vin 3A 同步降压稳压器可提供初级降压电压，确保在如待机等低输出功率工作状态下能高效工作。

“幻象供电”方式所带来的其他优势还包括摄像头（PD 端）的共模噪声抑制、摄像头 (PD) 与 ECU (PSE) 接地间的电流隔离，后者可防止因电位差而导致的辐射接地回路，这个问题在汽车应用中已司空见惯。此外，还可通过连接到任何其他 IEEE 802.3af/at 供电端设备来实现互用性。

低功耗，高能效

在当今市场上，100BASE-TX 以太网已成为最低功率 PHY 技术之一。与基于千兆位技术的解决方案相比，功耗和成本均降低了三倍之多。摄像系统解决方案还可因 Micrel KSZ8061 支持 IEEE 802.3az 节能以太网 (EEE) 而受益，其提供小于 1uA 的业界最佳超低待机电流，是汽车等所有电池应用的理想之选。

KSZ8061 PHY 提供一个独特的信号侦测输出引脚，用于表明活动对端的存在，如图 4 所示。通过信号侦测电路可自动启动和唤醒 PHY 待机模式。此外，还可通过电源管理来部署输出引脚以关闭处理器和传感器，从而为摄像系统模块提供小于 1uA 的远程待机和唤醒电流。

低噪声和高可靠性

相较于非屏蔽双绞线，采用 KSZ8061 以太网 PHY 的 Micrel Quiet-WIRE™ 技术，可降低 EMI 线路辐射和提高抗干扰性能，符合汽车 OEM EMC 标准。可使用 CAN 或 FlexRay 等低成本线缆。此外，还可通过手工在每个接头上搭接最长 5cm 的未绞合区段，且无需保护层，从而将成本尽可能控制在最低范围内。

为满足安全关键 ADAS 应用（如倒车摄像头）的需求，KSZ8061 能够在 20ms 内完成通电和连接，且无需处理器介入。KSZ8061 收发器信号质量指示器 (SQI) 还可以实时持续监控线束质量。

总结

随着全球各国在政府配套立法的支持下为改善道路安全不断做出努力，汽车高级驾驶辅助系统正在经历着重大发展。ADAS，更确切地说，摄像头传感器，所面临的挑战极其严峻；不仅要满足客车和工业车辆最苛刻的安全、质量和可靠性强制标准，同时还要兼顾改善的功耗、最低的电气噪声和增加的空间限制的要求。尽管面临这些挑战，但标准以太网仍屡次证明其提供额外优势的能力。